2023-09-04 11:56

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图形引擎实战：城建功能技术分享

概述

随着城建功能在游戏中的应用越来越广泛，玩家对于城建功能的需求越来越高；城建功能的需求主要集中在以下几方面：

积木建造、移动
积木破碎
积木的旋转（自由旋转）
积木自动吸附功能
PC端和移动端操作一致，并且操作顺滑
多玩家同步建造
建造后实时寻路功能

基于上述需求，经过反复斟酌，最终决定基于体素研发这一套包括客户端-服务器的城建功能。基于体素研发的城建功能既可以满足多玩家同步建造功能，也能满足实时寻路功能。有关城建的操作模式，则参考了包括剑网3、原神、英灵神殿以及吸血鬼崛起等多款游戏在内的城建操作，最终形成了一套完备的同时适配PC端和移动端，操作顺滑的操作模式。

首先，城建功能基于体素，所以简单介绍下体素的概念。

所谓体素，是像素（pixel）、体积（volume）和元素（element）的组合词，相当于3D空间中的像素。通过体素，可以对3D空间进行网格划分，并赋予每个网格特征，如下图，可以想象体素就是二维像素在y轴方向上，再增加一个单位的切割划分。

对于需要使用体素的场景来讲，需要预先生成场景体素、导航寻路数据、以及积木的体素，并且同步存储在服务器和客户端。

需要注意的是，生成体素世界，需要预先指定体素大小，即一个体素格子要定位为多大。城建Demo中CellSize设定xz轴方向0.25为一单位，y轴方向0.1为一单位。

场景体素以及积木体素都可以预览，并进行二次编辑。下图为网络上找的一张体素地图：

一个完备的城建功能需要同时兼顾PC端和移动端的操作，并且需要考虑如何获得积木放置位置、如何做对齐操作，是否提供吸附功能等等。本文将从以下几个角度来讲解基于体素的城建功能：

操作模式

如何得到积木放置的正确位置

积木旋转操作

积木破碎方案的选择

积木吸附操作

操作模式

目前支持城建系统的游戏，比较火爆的有剑网3、原神、英灵神殿、吸血鬼崛起以及明日之后等等。通过在建造模式、PC端移动端适配、自动吸附等多方面对上述几个游戏进行对比，截止到2022年11月，得到结论如下：

通过对比以上游戏建造功能，并且通过游戏体验，得到的结论是

边走边搭建，即积木跟随角色建造可以增强玩家的交互体验，并且可以直观的显示多玩家建造过程,所以角色跟随在这一方面优于上帝视角。
部分积木（比如地板、墙壁）的自动吸附功能可以简化玩家的操作，便于玩家快速便捷的搭建建筑框架，所以对于一个优秀城建功能，自动吸附功能必不可少。
对于可以自由摆放的积木，比如书，椅子等等。这类积木如果增加自由旋转功能，可以增加玩家城建的自由度，自由旋转是一个锦上添花的功能。
现在无论是PC端游戏还是移动端游戏，社交功能越来越受到重视，多人协同城建的功能，实时寻路的功能必定能给玩家带来交互性更强，体验感更深入的游戏体验。
对于操作模式，有两种选择：一种是角色所在区域，选中积木，在点击所要添加积木的位置，点确定进行添加，如果需要旋转视角，需要单独操作；另一种是，屏幕中心显示准心，选中积木，旋转相机视角定位到所要添加的位置，点确定进行添加，无需单独调整视角。第二种操作，在需要集中添加大量积木的情况下，可以节省玩家操作的复杂度，从而节省搭建时间。第一种操作的优点在于，如果视口比较大，玩家可以比较宏观的、完整的看到所搭建的建筑，对于社交性、互动性不那么强的游戏来讲，是比较好的选择。
城建功能下的实时寻路功能，对游戏开发来讲是个不小的挑战，既要保证性能不受影响，又要保证功能。经过调研举证，基于体素开发的城建功能可以较好的支持实时寻路功能。

因此，引擎部自主研发的城建系统同时支持多人模式与单人模式：多人模式下，参照英灵神殿模式，使用准心定位积木位置、选中积木，支持多人同时建造；而单人模式下，参考剑网3模式，使用上帝视角进行建造操作，使用鼠标和手指进行积木的添加和选中操作。此外，该建造系统的操作同时适配PC端和移动端，且PC端和移动端的操作保持一致。

下图所示为多人模式下建造的效果图：

基于体素的射线查询

不同于现有的游戏建造功能，该城建系统基于体素开发，同时支持多人同时建造以及实时寻路。所以如何确定待添加积木的位置，进而高效的更新场景体素是比较核心的问题。

添加积木时位置的计算步骤：

首先计算相机到屏幕中心的射线，向下做射线查询，得到添加位置POS1
根据第一步计算得到的添加位置，计算调整得到对应的体素位置—积木的左下角位置须和体素格子的左下角对齐,调整后的位置为POS2；
根据POS1来更新待添加积木的位置；根据POS2来更新当前待添加积木与现有积木、角色等的碰撞检测状态，根据是否碰撞来决策是否可以添加。
得到添加确认的操作后，客户端将POS2作为参数发送给服务器，服务器进一步根据当前状态调整积木的体素位置，计算完成后，反馈给客户端
客户端收到服务器添加积木成功的消息，根据接收得到的积木ID，位置等信息，创建积木。

首先，第一步的射线查询是体素系统的射线查询，可以得到相对精准的体素世界添加位置；

其次，需要区分POS1和POS2,之所以不用POS2更新待添加积木，是为了使得创建过程中积木移动更平滑，如果使用POS2，则会出现积木位置频繁调整抖动的情况；

最后，在客户端计算POS2,可以检测待添加积木的碰撞情况，与服务器同步，这个是必要的。

下图直观的展示了积木的添加过程。

强制添加

在体素积木搭建过程中，开始设定的是体素不能碰撞。

积木的体素是根据模型的mesh生成，如果积木的长宽高和体素的单位长度不匹配，可能会导致体素大于模型本身，或者小于模型本身。如果体素大于模型本身，则体素不能碰撞会导致积木和积木不可以紧挨着摆放；如果体素本身小于模型mesh，则会导致奇怪的积木穿插现象。此外，还有一个问题，比如使用积木铺设了草坪，但是由于体素无法碰撞，则无法在草坪中搭建房子，只能悬浮在草坪至上。

有两种解决方法，第一种是根据模型本身，生成特定的体素，比如一棵树，只生成树干，草生成一个片之类的，但是这种需要根据每种模型进行体素定制，不仅工作量增加了，而且最终的搭建效果也不敢保证完全没问题；

第二种是强制添加，所谓强制添加，就是体素可以碰撞；每个体素格子存储所属积木对象的id，如果体素发生碰撞，则体素格子同时存储多个所属对象的id，也就是说，当前格子体素可能属于多个积木。这种方式灵活，通用，并且无需增加额外的工作量。

所以我们增加强制添加功能，使得积木可以叠加摆放，由使用者来确定积木位置。如下图所示：

积木旋转

众所周知，体素是由小的长方体格子组成，而积木则会有各种各样的形状。积木旋转主要有两种情况，90度旋转和任意角度旋转。

对于90度旋转的情况，如果体素格子xz方向长度相同并且积木的长宽是体素单位的偶数倍，则积木旋转90度时则积木体素不变，无需重新生成，并且看起来是绕积木的中心旋转的；如果体素格子xz方向的长度为体素单位的奇数倍，否则需要根据旋转后的积木重新调整。如下图所示，如果积木的xz方向的体素长度为体素的偶数倍，则体素的中心位于红色的点；如果x方向为3倍，如右图，则体素的中心点可能位于两个蓝色点的其中一个，积木旋转的时候会绕着中心点旋转，所以基数倍长度积木的旋转，具有不确定性。所以建议在积木制作过程中，遵守制作规范。

此外，90度旋转的积木，无论中心点在何位置，旋转后都无需重新生成体素。

对于自由旋转的情况，则需要根据旋转角度，重新生成积木的体素，这个计算量相对较大，比较消耗性能。如下图所示：左侧是原积木，左侧是积木旋转222度之后重新得到的积木，蓝色框显示积木，白色区域代表积木体素。

城建功能Demo提供两种积木旋转，90度旋转和自由旋转。自由旋转参考原神的方法，加入了一个圆环，方便用户操作。

积木破碎

为了增加游戏世界的真实感，积木破碎功能是必不可少的。如何在体素世界完成破碎功能？如何实时生成破碎积木的体素？

首先，如果使用实时的物理生成破碎的积木，性能消耗较大。其次，如果破碎积木实时生成，每次破碎的积木数量和形状不一致，对于重新生成体素操作来讲压力还是不小的。所以斟酌再三，还是需要离线生成破碎积木，以及破碎动画。

城建功能Demo破碎过程使用如下流程：

使用第三方插件预先生成积木的破碎模型以及破碎动画。
将破碎模型作为普通积木一般，预生成体素数据。体素数据是破碎后积木的体素。
将积木的破碎模型在配表中进行设置，与积木进行关联
Demo运行中，选中积木进行破碎后，先删除积木，再读取并创建破碎模型，同时如果存在破碎动画，则播放破碎模型的动画

经验证，如此实现的积木破碎过程自然流畅。

下图给出积木的两种破碎效果：上面一个是不带破碎动画的，下面是带破碎动画的。上面的积木破碎后，玩家可以自由穿行，增加了游戏的趣味性。下面的带破碎动画的方案需要考虑动画所占存储的情况。Demo中城墙积木，切分成了260个碎片，动画录制帧率为15，时长3s钟，动画大小为32M。可以根据实际情况，将碎片设置到合适的数目，并且适当压缩，控制动画数据的存储占比，减少内存占用。