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3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动

前言

在 3D 游戏中，都会有一个主人公。我们可以通过点击游戏中的其他位置，使游戏主人公向点击处移动。

那当我们想要实现一个“点击地面，人物移动到点击处”的功能，需要什么前置条件，并且具体怎么实现呢？本文带大家一步步实现人物行走移动，同时进行状态改变的功能。


一、骨骼动画

骨骼动画（Skeleton animation 又称骨架动画，是一种计算机动画技术，它将三维模型分为两部分：用于绘制模型的蒙皮（Skin），以及用于控制动作的骨架。

一般在 3D 游戏中的主人公，它的跑步、走路、站立的动作，都是模型文件的自带骨骼动画。

骨骼动画权重
改变骨骼动画的权重，可以使得动画间的过渡更为自然。比如体测时，当你到达终点后，会逐渐减慢速度，跑步动作的幅度越来越小，然后变成走路，最后停止。

让我们看看一个俩动作权重渐变的例子：
3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP

这个例子中，从休闲变到走路，休闲动画的权重从1到0递减，同时走路动画的权重从0到1递增。可以的点击👉 这个网站中 > Crossfading > from idle to walk 体验一下。

在本次 3D 沙盒游戏中，人物状态改变，主要是鼠标点击地面后，人物从休闲状态转为跑步状态，当人物到达目的地后，又变为休闲状态。我们先来看看这些状态改变是如何实现的。

首先，我们需要设计师提供一个拥有骨骼动画的模型，它有两个骨骼动画，一个为休闲（idle）状态，一个为跑步（run）状态。

1.1 思路

3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP


1.2 动画初始化

先让我们将骨骼动画、动画名称、权重放到一个对象中存储起来，

idleAnimConfig = {
  name: string;
  anim: AnimationGroup;
  weight: number;
}

那么如何判断是否正在行走呢？就需要一个当前动画的 flag，初始化时将 idle 设为当前动画

currentAnimConfig = idleAnimConfig

1.3 动画权重改变

3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP

如图，我们在人物状态改变时，需要将当前状态的动画权重递增，另一状态的动画权重递减（注意，权重值需要限制在[0, 1]）。让我们看下伪代码，假设 deltaWeight 为正数

changeAnimWeight() {
  // 当前动画 -> 递增
  if (currentAnimConfig) {
    setAnimationWeight(currentAnimConfig, deltaWeight)
  }
  // 其他动画 -> 递减，如站立动作切换到走路
  if (currentAnimConfig !== idleAnimConfig) {
    setAnimationWeight(idleAnimConfig, -deltaWeight)
  }
  // 其他动画 -> 递减，如走路动作切换到站立
  if (currentAnimConfig !== runAnimConfig) {
    setAnimationWeight(runAnimConfig, -deltaWeight)
  }
}

然后在 render 的时候，进行状态切换

onRender() {
  if (准备到达目的地) {
    setCurAnimation(runAnimConfig)
  } else {
    setCurAnimation(idleAnimConfig)
  }
  changeAnimWeight()
}

1.4 缺少动画

如果 animationGroup 里只有一个 run 动画怎么办呢？
答案还是一样的，只要将 idle 动画的骨骼动画设为 null 即可，像这样：

idleAnimConfig = {
  name: string;
  anim: null;
  weight: number;
}

这么做即使后来更换了具有两个动画的人物模型，也能复用。


动画状态切换实现效果

3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP



二、行走移动

当我们平常写动画时，会用到 rAF 并递归调用渲染函数，实现一个逐帧渲染动画。当人物行走在平地上时，也可以利用逐帧移动，来实现一个位移的动画。例如 Babylon 已经封装好了 render 的事件 API，只要我们将渲染动画绑定 render 事件，就可以使用了。

让我们看看具体思路：
3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP


2.1 移动

由上面的思路可以看出，我们移动的时候需要用到几个变量：

  • 距终点的距离（distance）
  • 移动的方向（direction）

那么就需要在点击的时候，获取到这些变量。distance 可以利用矩阵对应坐标相加减计算，direction 就是目标位置减初始位置的法向量

directToPath() {
  // 将人物的位置设为初始位置
  initVec = this.player.position
  // 计算初始位置与终点的距离
  distance = Distance(targetVec, initVec)
  // 将终点位置与初始位置相减
  targetVec = targetVec.subtract(initVec)
  // 使用法向量计算出与终点的朝向
  direction = Normalize(targetVec)
  player.lookAt(targetVec)
}
onClick() {
  // ...
  directToPath()
}

在 render 的时候进行位移

onRender() {
  if (distance > READY_ARRIVE) {
    distance -= SPEED
    // 人物朝 direction 方向移动 SPEED 距离
    player.translate(direction, SPEED, Space.WORLD)
  }
}

位移实现效果

3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP


2.2 结合动画

当我们的移动结合模型的骨骼动画

3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP

让我们看看伪代码：

onRender() {
  if (distance > READY_ARRIVE) {
    distance -= SPEED
    // 人物朝 direction 方向移动 SPEED 距离
    player.translate(direction, SPEED, Space.WORLD)
    setCurAnimation(runAnimConfig)
  } else {
    setCurAnimation(idleAnimConfig)
  }
  changeAnimWeight()
}

位移及状态变化实现效果

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三、人物避障

3.1 思路

人物行走避障，实际上就是从起点到终点，在这之中添加了中间点。如图
3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP

所以我们只要记录下当前起点到终点这个路径数组，每次都朝数组的第N个点行走，就能做到转向。下面我们来根据思路及伪代码进行步骤细化。


(1) 记录路径和初始化当前的路径索引

path = getPath(targetVec)
prePathIdx = 0

(2) 当到达当前中间点时，切换到下一个中间点。当走到最后一个，则停止

onRender() {
  if (distance > READY_ARRIVE) {
    // ...移动及动画权重切换...
  } else {
    switchPath()
    // ...
  }
  // ...
}
switchPath() {
  prePathIdx += 1
  directToPath()
}
directToPath() {
  const curPath = path[prePathIdx]
  if (!curPath) return
  // ...人物移动及转向...
}

3.2 接入实际避障算法

由 3.1 得知，人物的行走移动要接入避障算法，需要利用到该算法提供的路径规划数组。实际应用中，我们只需要把，伪代码里的getPath()方法，换成算法计算道路的方法即可。

3.2.1 RecastJSPlugin

下面我们使用 Babylon 自带的 Recast 插件 ，来具体说明一下如何接入避障算法。

方法 1

在 recast 中，可以通过 computePath 获取路径：

const closestPoint = this.navigationPlugin.getClosestPoint(pickedPoint)
const path = this.navigationPlugin.computePath(
  this._crowd.getAgentPosition(0),
  closestPoint
)

然后利用 3.1 的思路，通过路径索引切换进行移动。


方法 2

recast 首先会创建一个导航网格，然后通过添加 agent 让它们约束在这个导航网格中，而这些 agent 的集合，称为 crowd。

并且 recast 自带了移动的 API —— agentGoto，此时可以不需要再去计算距离和方向，并且也不需要手动切换移动路径，让我们看看具体是怎么做的。

(1) 初始化插件，并设置 Web Worker 来获取网格数据以优化性能

initNav() {
  navigationPlugin = new RecastJSPlugin()
  // 设置Web Worker，在里面获取网格数据
  navigationPlugin.setWorkerURL(WORKER_URL)
  // 创建导航mesh
  navigationPlugin.createNavMesh([
    ground,
    ...obstacleList, // 障碍物列表mesh
  ], NAV_MESH_CONFIG, (navMeshData) => {
    navigationPlugin.buildFromNavmeshData(navMeshData)
  }
  this.navigationPlugin = navigationPlugin
}

(2) 初始化 crowd（crowd：约束在导航网格中 agent 的集合）

initCrowd() {
  this.crowd = this.navigationPlugin.createCrowd(1, MAX_AGENT_RADIUS, this.scene)
  const transform = new TransformNode('playerTrans')
  this.crowd.addAgent(this.player.position, AGENTS_CONFIG, transform)
}

(3) 点击时利用 agentGoto API进行移动，pickedPoint 为点击点的三维坐标，由于 crowd 里只有一个对象，所以索引是 0

const closestPoint = this.navigationPlugin.getClosestPoint(pickedPoint)
this.crowd.agentGoto(0, closestPoint)

(4) 判断是否停止，未停止则改变人物朝向

那么如何改变人物的朝向呢，我们需要下一个中间点的位置，让人物看向它即可。
所以回到之前初始化的地方，创建一个 navigator。

initCrowd() {
  // ...
  const navigator = MeshBuilder.CreateBox('navBall', {
    size: 0.1,
    height: 0.1,
  }, this.scene)
  navigator.isVisible = false
  this.navigator = navigator
  // ...
}

在 render 的时候，人物是否停止，可以通过当前 agent 的移动速度来进行判断。而改变方向，则是通过将 navigator 移动到下一个 path 的中间点，让人物看向它。

onRender () {
  // 第一个agent对象的移动速度
  const velocity = this.crowd.getAgentVelocity(0)
  // 移动人物到agent的位置
  this.player.position = this.crowd.getAgentPosition(0)
  // 将navigator的位置移到下一个点
  this.crowd.getAgentNextTargetPathToRef(0, this.navigator.position)
  if (velocity.length() > 0) {
    this.player.lookAt(this.navigator.position)
    // ...
  } else {
    // ...
  }
 // ...
}

4. 避障实现效果

让我们看看最后的效果

3D 沙盒游戏之人物的点击行走移动-LMLPHP


5. 遇到的问题

整个开发过程中，其实也不是非常顺利，总结了一些遇到的问题，可以给大家参考一下。

(1) 年兽移动时，有时会“无法刹车”，导致在终点时反复来回停不下来；
这是因为在这一帧里，由于年兽的加速度较小，无法使得短时间内将速度降为0。所以只能“走过头”再“走回来”直到速度降为0之后，停止在终点。
此时，只需要 hack 一下，将 agent 的 maxAcceleration 设为极大，让其有种匀速行走并立马停下的感觉。

export const AGENTS_CONFIG: IAgentParameters = {
  maxAcceleration: 1000
  // ...
}

(2) 障碍物的动态添加与移除

如果障碍物在该场景初始化后，位置发生了改变，此时再去销毁创建一次 navMesh 是很消耗性能的。

于是我们通过查找文档，看到还有动态添加障碍物的 API。再立马调了下文档中的Playground，发现是可以用的。但是当我们把障碍物放大了之后，穿模了👉 看看这里。

于是在 Babylon 的论坛上提了这个问题，20分钟后就得到了 reply，这个速度👍。

原来是需要调整 NavMeshParameters 的 ch / cs / tileSize 参数，对项目做适配。

那如果想要自己实现避障，创建更快的navMesh，我们应该怎么做呢？可以看看这篇文章：3D 沙盒游戏之避障踩坑和实现之旅


总结

这篇文章，我们从骨骼动画的介绍及使用、模型的移动及状态改变、路径规划的适配三个方面，讲解了3D沙盒游戏中实现人物行走移动并进行状态改变的思路及步骤，希望新人阅读结束之后，能更快上手这个功能。

当然，本篇文章介绍的实现方式还仍有不足之处，比如移动可以加上加速度，让动作与移动速度匹配得更自然等。

如果还有什么合适的建议，也欢迎大家积极留言交流。


参考资料

  1. 骨骼动画 - 维基百科，自由的百科全书
  2. Grouping Animations | Babylon.js Documentation
  3. Advanced Animation Methods | Babylon.js Documentation
  4. Vector3 | Babylon.js Documentation
  5. Crowd Navigation System | Babylon.js Documentation
  6. Web Workers API
  7. Make crowd agent move at constant speed - Questions - Babylon.js

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