誕生

Unity自帶的是有一個CharacterController的，驅(qū)使我來研究這一超級角色控制器有很多原因：

• CharacterController把移動和跳躍等封裝到了內(nèi)部不好修改
• 大部分情況要結(jié)合Rigidbody來實現(xiàn)邏輯，但是官方建議這兩個組件不要一起使用，會有很多問題
• 膠囊體碰撞，無法區(qū)分頭部、身體、腳
• 使用Collider實現(xiàn)碰撞奏属，運算量大
  綜上，在螺旋爆炸游戲開發(fā)中潮峦，我們決定重寫角色控制器囱皿，也就是超級角色控制器

資料以及參考

大部分的研究資料來自http://jjyy.guru/super-character-controller-part1這篇文章勇婴，是一個博主早年翻譯的一篇外國文章，我在這篇文章的算法研究上做了修改

代碼解讀

算法的說明這篇文章已經(jīng)說的很清晰了嘱腥，為防止文章關(guān)閉耕渴，在此復(fù)制了原文

碰撞檢測

你會看到我已經(jīng)把坐標(biāo)標(biāo)記為z軸和y軸，而不是x軸和y軸齿兔。這是因為我將會從頂視圖來觀察這個三維世界橱脸。由于頂視圖的緣故，那個藍(lán)色圓形是膠囊體分苇。綠色矩形是一堵墻添诉。理想的狀況是，角色無法穿過墻壁医寿。因此當(dāng)角色與墻體交叉時栏赴，我希望能夠檢測出碰撞的發(fā)生，然后正確地進行處理靖秩。之所以我們自己處理碰撞檢測须眷，也就是看看圓形是否與矩形發(fā)生了交叉，有兩個原因沟突。一個是Unity有相當(dāng)多的資源(我們后面會講)來處理這個問題花颗，第二個就是這是一個講解碰撞檢測的好例子。我們將會讓碰撞體計算出正確的位置從而得到合理的行為惠拭。

上面展示了我們的角色嘗試去朝著墻面運動扩劝。為了處理這個問題，我們從角色位移的起點與位移的終點之間進行一次掃略體測試求橄。這次測試的結(jié)果是有一面墻在我們的前方今野，并且返回到墻面的距離葡公。那么我們就可以直接拿到這個距離罐农，將角色按照方向移動所得碰撞距離，從而移動到墻體之前催什。(PS:Unity有著很多內(nèi)建的功能可以做到這點涵亏，包括Rigidbody.SweepTest,Physics.SphereCast,Physics.CapsuleCast)。

但是蒲凶，這并不完全是我們想要的效果气筋。如果我們用了這種方法，角色在與物體稍稍碰撞之后旋圆，就再也沒有進行任何移動了宠默。問題在于它缺少了現(xiàn)實中的反彈與側(cè)滑。

這個效果就更加合理一些灵巧。最初的掃略測試是在移動方向上進行的搀矫。當(dāng)掃略測試接觸到墻體之后抹沪，角色就直接移動過去，就像剛才那樣瓤球。但是這次我們更進一步融欧，讓角色向上滑動來補足丟失的移動，這樣使得可以沿著表面滑動卦羡。這是一個理想中的角色控制器該有的行為噪馏，但這不是實現(xiàn)它的最佳方法。首先绿饵，這么做效率不是很高：每次你想移動角色欠肾，你就需要執(zhí)行這個函數(shù)。如果每幀只執(zhí)行一次還好蝴罪，但是假如因為某些原因這個函數(shù)要執(zhí)行多次董济，那就消耗很大。其次要门，碰撞處理是依賴于角色移動的方向和距離虏肾。如果角色因為某種神奇的原因進入了墻體內(nèi)部，角色是不會被推出的欢搜。實際上封豪，我發(fā)現(xiàn)這個問題很讓人頭疼。

每個半透明黃色圓圈都指示了一個潛在的滿足推出的位置钞澳。但是我們應(yīng)該選擇哪個呢怠惶？很簡單，只要選擇距離角色最近的墻面的最近點即可轧粟。

代碼解讀

控制器主循環(huán)

void Update()
{
    // If we are using a fixed timestep, ensure we run the main update loop
    // a sufficient number of times based on the Time.deltaTime
    if (manualUpdateOnly)
        return;

    if (!fixedTimeStep)
    {
        deltaTime = Time.deltaTime;

        SingleUpdate();
        return;
    }
    else
    {
        float delta = Time.deltaTime;

        while (delta > fixedDeltaTime)
        {
            deltaTime = fixedDeltaTime;

            SingleUpdate();

            delta -= fixedDeltaTime;
        }

        if (delta > 0f)
        {
            deltaTime = delta;

            SingleUpdate();
        }
    }
}

在Unity自帶的Update方法中并沒有執(zhí)行真正的邏輯操作通惫，而是只調(diào)用數(shù)次SingleUpdate函數(shù)，調(diào)用的次數(shù)取決于定義的頻率混蔼，這樣可在一幀的時間內(nèi)多次執(zhí)行碰撞檢測函數(shù)履腋，目的在確保角色不會因為移動速度太快而穿過物體跳過檢測（實際上相當(dāng)于重寫了FixedUpdate函數(shù)，添加了更為方便的控制方法）

SingleUpdate

實際邏輯的循環(huán)分為幾個部分：

檢測地面

該部分會檢測角色腳下的地面惭嚣，并給出地面信息遵湖，包括地面法線、游戲性信息等等

  private class GroundHit
    {
        public Vector3 point { get; private set; }
        public Vector3 normal { get; private set; }
        public float distance { get; private set; }

        public GroundHit(Vector3 point, Vector3 normal, float distance)
        {
            this.point = point;
            this.normal = normal;
            this.distance = distance;
        }
    }

信息由GroundHit類定義

  ****
  ProbeGround(1);  
  ****
  ProbeGround(2);
  ****
  ProbeGround(3);
  ****

執(zhí)行三次的原因是因為后續(xù)會有移動角色的操作晚吞，而移動角色后角色可能移動到了另一種地面延旧，所以需要在每次移動操作后都檢測地面，1槽地，2迁沫，3的參數(shù)只是用于Debug

角色運動

這一模塊處理了角色運動

  if (isMoveToTarget)
    {
        transform.position = targetPosition;
        isMoveToTarget = false;
    }
    transform.position += moveDirection * deltaTime;
    //gameObject.SendMessage("SuperUpdate", SendMessageOptions.DontRequireReceiver);
    fsm.CurrentState.Reason();
    fsm.CurrentState.Act();

首先判斷角色是否是瞬移到了某個位置，由于這一瞬移是一次性的捌蚊，所以用一個bool信號量來標(biāo)記
對外的接口是這樣的：

public void MoveToTarget(Vector3 target)
{
    targetPosition = target;
    isMoveToTarget = true;
}

如果調(diào)用了MoveToTarget函數(shù)集畅，角色則會瞬移

  transform.position += moveDirection * deltaTime;

這句話處理了角色的連續(xù)運動，moveDirection在常態(tài)下是零向量缅糟，會根據(jù)角色的運動狀態(tài)進行改變挺智，運動接口如下

public void MoveHorizontal(Vector2 direction,float speed,float WalkAcceleration)
{
    direction = direction.normalized;
    Vector3 ver = Math3d.ProjectVectorOnPlane(up, moveDirection);
    Vector3 hor = moveDirection - ver;
    ver = Vector3.MoveTowards(ver, (GetRight()*direction.x+GetForword()*direction.y) * speed, WalkAcceleration * deltaTime);
    moveDirection = ver + hor;
}

參數(shù)分別代表方向，速度和加速度溺拱，函數(shù)作用是在角色的水平平面上按一定最大速度和加速度移動逃贝，實現(xiàn)方式很簡單谣辞，就是對當(dāng)前水平速度和目標(biāo)速度線性插值迫摔，而角色改變了速度，也就發(fā)生了位移

public void MoveVertical(float Acceleration,float finalSpeed)
{
    Vector3 ver = Math3d.ProjectVectorOnPlane(up, moveDirection);
    Vector3 hor = moveDirection - ver;
    hor = Vector3.MoveTowards(hor, up * finalSpeed, Acceleration * deltaTime);
    moveDirection = ver + hor;
    //moveDirection = Vector3.MoveTowards(moveDirection, new Vector3(direction.x, 0, direction.y) * speed, WalkAcceleration * deltaTime);
}

垂直方向的移動實現(xiàn)是相同的

public void Ronate(float angle)
{
    lookDirection = Quaternion.AngleAxis(angle, up) * lookDirection;

    // Rotate our mesh to face where we are "looking"
    AnimatedMesh.rotation = Quaternion.LookRotation(lookDirection, up);
}

旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)與平移不同泥从，首先我規(guī)定角色是不可以上下轉(zhuǎn)的（這樣看起來實在很蠢句占，如果讀者需要可自行修改），旋轉(zhuǎn)是有四元數(shù)定義的躯嫉，而四元數(shù)的線性插值并不是我們想象的那樣規(guī)律纱烘，所以旋轉(zhuǎn)的接口實現(xiàn)在控制器內(nèi)部是瞬間完成的，若需要完成持續(xù)旋轉(zhuǎn)請在控制器外部調(diào)用時使用對角度的線性插值

fsm.CurrentState.Reason();
fsm.CurrentState.Act();

最后兩行代碼讀者可不必理解，這是通過FSM有限自動狀態(tài)機來維護角色狀態(tài)的改變和運動邏輯辨宠，我會在之后的文章介紹并實現(xiàn)

碰撞回推

collisionData.Clear();
RecursivePushback(0, MaxPushbackIterations);

這一部分就是之前介紹的碰撞檢測的實現(xiàn)才避，代碼如下：

void RecursivePushback(int depth, int maxDepth)
{
    PushIgnoredColliders();

    bool contact = false;

    foreach (var sphere in spheres)
    {
         foreach(Collider col in Physics.OverlapSphere((SpherePosition(sphere)), radius, Triggerable,                triggerInteraction))
        {
            triggerData.Add(col);
        }
        foreach (Collider col in Physics.OverlapSphere((SpherePosition(sphere)), radius, Walkable, triggerInteraction))
        {
            Vector3 position = SpherePosition(sphere);
            Vector3 contactPoint;
            bool contactPointSuccess = SuperCollider.ClosestPointOnSurface(col, position, radius, out contactPoint);
            
            if (!contactPointSuccess)
            {
                return;
            }
                                        
            if (debugPushbackMesssages)
                DebugDraw.DrawMarker(contactPoint, 2.0f, Color.cyan, 0.0f, false);
                
            Vector3 v = contactPoint - position;
            if (v != Vector3.zero)
            {
                // Cache the collider's layer so that we can cast against it
                int layer = col.gameObject.layer;

                col.gameObject.layer = TemporaryLayerIndex;

                // Check which side of the normal we are on
                bool facingNormal = Physics.SphereCast(new Ray(position, v.normalized), TinyTolerance, v.magnitude + TinyTolerance, 1 << TemporaryLayerIndex);

                col.gameObject.layer = layer;

                // Orient and scale our vector based on which side of the normal we are situated
                if (facingNormal)
                {
                    if (Vector3.Distance(position, contactPoint) < radius)
                    {
                        v = v.normalized * (radius - v.magnitude) * -1;
                    }
                    else
                    {
                        // A previously resolved collision has had a side effect that moved us outside this collider
                        continue;
                    }
                }
                else
                {
                    v = v.normalized * (radius + v.magnitude);
                }

                contact = true;

                transform.position += v;

                col.gameObject.layer = TemporaryLayerIndex;

                // Retrieve the surface normal of the collided point
                RaycastHit normalHit;

                Physics.SphereCast(new Ray(position + v, contactPoint - (position + v)), TinyTolerance, out normalHit, 1 << TemporaryLayerIndex);

                col.gameObject.layer = layer;

                SuperCollisionType superColType = col.gameObject.GetComponent<SuperCollisionType>();

                if (superColType == null)
                    superColType = defaultCollisionType;

                // Our collision affected the collider; add it to the collision data
                var collision = new SuperCollision()
                {
                    collisionSphere = sphere,
                    superCollisionType = superColType,
                    gameObject = col.gameObject,
                    point = contactPoint,
                    normal = normalHit.normal
                };

                collisionData.Add(collision);
            }
        }            
    }

    PopIgnoredColliders();

    if (depth < maxDepth && contact)
    {
        RecursivePushback(depth + 1, maxDepth);
    }
}

需要注意的是這里添加了IgnoreCollider，保證我們在游戲中可以忽略一些物體的碰撞哺壶，返回的collisionData和triggerData分別代表了不可穿越的碰撞和可穿越的觸發(fā)

坡度限制

if (slopeLimiting)
        SlopeLimit();

坡度限制限制了角色能爬上的最陡的坡度

bool SlopeLimit()
{
    Vector3 n = currentGround.PrimaryNormal();
    float a = Vector3.Angle(n, up);

    if (a > currentGround.superCollisionType.SlopeLimit)
    {
        Vector3 absoluteMoveDirection = Math3d.ProjectVectorOnPlane(n, transform.position - initialPosition);

        // Retrieve a vector pointing down the slope
        Vector3 r = Vector3.Cross(n, down);
        Vector3 v = Vector3.Cross(r, n);

        float angle = Vector3.Angle(absoluteMoveDirection, v);

        if (angle <= 90.0f)
            return false;

        // Calculate where to place the controller on the slope, or at the bottom, based on the desired movement distance
        Vector3 resolvedPosition = Math3d.ProjectPointOnLine(initialPosition, r, transform.position);
        Vector3 direction = Math3d.ProjectVectorOnPlane(n, resolvedPosition - transform.position);

        RaycastHit hit;

        // Check if our path to our resolved position is blocked by any colliders
        if (Physics.CapsuleCast(SpherePosition(feet), SpherePosition(head), radius, direction.normalized, out hit, direction.magnitude, Walkable, triggerInteraction))
        {
            transform.position += v.normalized * hit.distance;
        }
        else
        {
            transform.position += direction;
        }

        return true;
    }

    return false;
}

實現(xiàn)原理同樣不難屋吨，計算角色與地面法線夾角，判斷是否超過最大角度

附著地面

附著地面則是Unity角色控制器所不具備的能力山宾，而且相當(dāng)重要至扰。當(dāng)水平走過不平的路面時，控制器將不會緊貼著地面资锰。在真實世界當(dāng)中敢课，我們通過雙腿每次的輕微上下來保持平衡。但是在游戲世界中绷杜，我們需要特殊處理直秆。與真實世界不同的是，重力不是總是作用在控制器身上鞭盟。當(dāng)我們沒有站在平面上時切厘，會添加向下的重力加速度。當(dāng)我們在平面上時懊缺，我們設(shè)置垂直速度為0疫稿，表示平面的作用力。由于我們站在平面上的垂直速度為0鹃两，當(dāng)我們走出平面時遗座，需要時間來產(chǎn)生向下的速度。對于走出懸崖來說俊扳，這么做沒問題途蒋，但是當(dāng)我們在斜坡或者不平滑的路面行走時，會產(chǎn)生不真實的反彈效果馋记。為了避免有視覺問題号坡，在地面與非地面之間的振幅會構(gòu)成邏輯問題，特別是在地面上與掉落時的差別梯醒。

if (clamping)
        ClampToGround();

    isClamping = clamping || currentlyClampedTo != null;
    clampedTo = currentlyClampedTo != null ? currentlyClampedTo : currentGround.transform;

    if (isClamping)
        lastGroundPosition = clampedTo.position;

    if (debugGrounding)
        currentGround.DebugGround(true, true, true, true, true);

 void ClampToGround()
{
    float d = currentGround.Distance();
    transform.position -= up * d;
}

實現(xiàn)即是將角色向下移動緊貼地面宽堆，由于檢測地面的原因，這步已經(jīng)不需要很多工作量了茸习。

尾聲

至此基本的代碼原理都已講清畜隶，至于具體使用時會有一些方便的接口，我將和超級FSM狀態(tài)機一同介紹，感謝