為什么說“角色移動(dòng)”看上去很簡(jiǎn)單，卻需要極高的技術(shù)力與細(xì)節(jié)成本？
“角色移動(dòng)”是大部分游戲的玩法基礎(chǔ)。不過在游戲中，他看起來如此的簡(jiǎn)單自然以至于很容易被玩家所忽略掉。實(shí)際上，角色的移動(dòng)涉及到動(dòng)畫、渲染、物理、同步等多項(xiàng)開發(fā)技術(shù)以及大量的美術(shù)工作。即使單從設(shè)計(jì)上講，“角色移動(dòng)”也經(jīng)常會(huì)給開發(fā)者們帶來一些讓人陷入兩難的問題?？偠灾?，想將角色移動(dòng)做到完美確實(shí)是相當(dāng)困難的。
虛幻5演示的Demo中有一段爬墻的動(dòng)畫，想做出這種效果其實(shí)是非常不容易的
我之前在公眾號(hào)的一篇科普文章中曾講述過“游戲角色移動(dòng)的基本原理”。
游戲世界與真實(shí)世界相同，也是一個(gè)三維的空間(2D游戲是二維空間)，我們游戲中的所有角色，都會(huì)在這個(gè)三維的世界里面出生、移動(dòng)、交互直至死亡。除了角色以外，游戲中的其他對(duì)象也是如此產(chǎn)生的，比如說建筑、武器、道具等等。他們身上都保存著自己的坐標(biāo)位置，當(dāng)我們?cè)谝苿?dòng)我們的角色的時(shí)，其實(shí)就是在不斷的修改當(dāng)前角色的坐標(biāo)值。 Jerish，公眾號(hào)：游戲開發(fā)那些事游戲中的角色是如何“動(dòng)”起來的？
所以想讓一個(gè)對(duì)象在游戲世界中動(dòng)起來其實(shí)很簡(jiǎn)單——改變他的位置即可。
但假如我們控制的是一個(gè)人形的角色，只是簡(jiǎn)單的修改他的位置是不夠的，我們還需要讓角色走的更自然和真實(shí)。換句話說，就是讓角色的移動(dòng)看起來更貼近真實(shí)世界。這里面其實(shí)涉及到人體結(jié)構(gòu)、物理受力等很多復(fù)雜的問題，我們很難通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型或物理引擎來達(dá)到期望的效果。因此，目前游戲界通常采用人為制作的動(dòng)畫的方式來取代真實(shí)的物理模擬。
動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)有頂點(diǎn)動(dòng)畫和骨骼動(dòng)畫兩種方式，現(xiàn)在普遍采用骨骼動(dòng)畫來處理角色的移動(dòng)。骨骼動(dòng)畫，會(huì)將3D模型抽象為一些關(guān)鍵點(diǎn)的集合，這些關(guān)鍵點(diǎn)互相連接成“骨骼”并組成一個(gè)完整的骨架結(jié)構(gòu)，我們通過改變骨骼的朝向和位置來既可以為模型生成動(dòng)畫。
由此可見，一個(gè)角色的動(dòng)作是否自然，很大程度上取決于動(dòng)畫師的設(shè)計(jì)。
現(xiàn)在，有了位置以及動(dòng)畫，角色就可以真正的動(dòng)起來了。游戲中每一個(gè)角色的移動(dòng)需要有兩個(gè)基本的系統(tǒng)共同維護(hù)，一個(gè)是角色的動(dòng)畫系統(tǒng)，另一個(gè)是隱藏在代碼背后的位置計(jì)算系統(tǒng)（可以稱為移動(dòng)組件系統(tǒng)）。角色動(dòng)畫系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照時(shí)間戳播放其動(dòng)畫，一般由美術(shù)通過三維建模軟件制作（2D的比較簡(jiǎn)單，就是按幀替換圖片，3D一般是骨骼動(dòng)畫）。將動(dòng)畫導(dǎo)入到游戲引擎中，就可以看到該角色會(huì)不停播放移動(dòng)的動(dòng)畫，但是他不會(huì)向前產(chǎn)生任何位移。
那么角色是不是就可以完美的動(dòng)起來了呢？不，噩夢(mèng)才剛剛開始。首當(dāng)其沖出現(xiàn)的就是一個(gè)非常常見的基本問題——“滑步”，滑步產(chǎn)生的根本原因是動(dòng)畫上的表現(xiàn)與其實(shí)際位置的移動(dòng)距離不匹配（角色一步走10米，看起來像是在滑行）。
解決滑步通常從兩個(gè)方面考慮，
第一個(gè)方面是針對(duì)角色常規(guī)的移動(dòng)。一般來說，玩家在走路、跑步的過程中速度是有規(guī)律的，要么是勻速、要么是勻加速。這時(shí)候可以把移動(dòng)組件系統(tǒng)應(yīng)用起來，也就是每當(dāng)玩家播放移動(dòng)動(dòng)畫的時(shí)候通過玩家的狀態(tài)來合理的計(jì)算其應(yīng)該走的位移長度并應(yīng)用。這種方式就可以實(shí)現(xiàn)通常意義上的角色移動(dòng)了。也就是說，這些比較有規(guī)律的移動(dòng)計(jì)算可以交給代碼層面去處理，代碼需要仔細(xì)考慮角色所處的狀態(tài)通過合理的數(shù)學(xué)模型去模擬計(jì)算位移。
第二個(gè)方面是針對(duì)比較復(fù)雜的特殊移動(dòng)。角色如果不是勻速移動(dòng)也不是勻加速移動(dòng)，我們的移動(dòng)組件系統(tǒng)根本沒法算，就算你代碼寫的再好也很難達(dá)到美術(shù)想要的效果。所以我們通常會(huì)采用Rootmotion的解決方案，即每一幀的位置交給美術(shù)處理，他們?cè)谧鰟?dòng)畫的時(shí)候把位移信息也寫到動(dòng)畫里面，我們移動(dòng)的時(shí)候讀取美術(shù)的數(shù)據(jù)就好了。
當(dāng)然，考慮到美術(shù)工作量等問題，我們不能都用rootmotion解決。角色還有一些特殊處理但是又比較通用的狀態(tài)，比如轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)身、突然停住等，顯然轉(zhuǎn)彎的時(shí)候玩家的身體會(huì)傾斜、轉(zhuǎn)身時(shí)候我們的腳步應(yīng)該逐漸踩過去，突然停住要有一個(gè)剎住腳步并恢復(fù)的效果（而不是直接滑過去），這些一般我們使用動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)配合混合空間（Blendspace：可以根據(jù)兩個(gè)輸入的動(dòng)畫來進(jìn)行混合）可以解決大部分問題，不過還是需要美術(shù)制作很多動(dòng)畫資源。
而狀態(tài)機(jī)，和計(jì)算機(jī)的FSM（有限狀態(tài)機(jī)）概念是相似的。在游戲里面，其實(shí)就是我們預(yù)先定義了一些節(jié)點(diǎn)作為角色行為狀態(tài)，比如跑，站立，下蹲等。當(dāng)我們按下下蹲按鈕的時(shí)候，判斷一下是否滿足某種狀態(tài)切換的條件，滿足的話角色將就會(huì)從默認(rèn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下蹲狀態(tài)。
仔細(xì)觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很多以前游戲都沒有處理這些細(xì)節(jié)，就是因?yàn)樘^繁瑣。
最近幾年，一個(gè)稱為MotionMatch的技術(shù)流行開來，用來解決各種動(dòng)畫的銜接問題。他的基本原理就是首先制作一個(gè)豐富的動(dòng)畫資源庫，然后在角色移動(dòng)的時(shí)候不斷的根據(jù)當(dāng)前角色的動(dòng)作與狀態(tài)信息根據(jù)算法從資源庫里面挑選最適合下一幀播放的動(dòng)畫。育碧的“榮耀戰(zhàn)魂For Honor”就采用了這種技術(shù)，同時(shí)配合深度學(xué)習(xí)去挑選動(dòng)作，達(dá)到了非常不錯(cuò)的效果。不過這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于小的團(tuán)隊(duì)明顯不太適用。也許多年后會(huì)出現(xiàn)一套完善的共享開源動(dòng)作庫，大家都可以體驗(yàn)到該技術(shù)帶來的便捷了。
https://www.gdcvault.com/play/1023280/Motion-Matching-and-The-Road好了，如果我們成功解決了上面的這些問題，是不是就可以讓角色愉快的移動(dòng)了呢？
答案當(dāng)然是NO！下面還有一堆進(jìn)階的問題等著我們解決，而且不同的游戲面對(duì)情況截然不同！
1.碰撞
一個(gè)玩家動(dòng)起來了，那如果遇到了障礙怎么辦呢，是推著障礙走還是被阻擋住，這其中的標(biāo)準(zhǔn)如何制定？如果撞到了另一個(gè)玩家，可以把人頂走么？玩家上樓梯是一級(jí)一級(jí)上還是平滑著上？玩家在多少度的斜坡上可以走呢？類似的問題數(shù)不勝數(shù)，很多都是游戲設(shè)計(jì)上的問題。
這些問題大部分可以在物理引擎的支持下，通過射線檢測(cè)等方式解決，但是也有一些不好處理的情況。
對(duì)于上面的問題，這里簡(jiǎn)單給出常見的方案。比較大的物件都會(huì)設(shè)置為靜態(tài)的（也就是不會(huì)移動(dòng)的），所以玩家移動(dòng)時(shí)會(huì)被擋住，而小的東西玩家可以直接踩過去。至于能否頂走其他玩家，要看游戲的類型而決定。上樓梯我們?yōu)榱吮３謹(jǐn)z像機(jī)的平滑，會(huì)把臺(tái)階的物理設(shè)置成平滑的。
2.特殊模式
前面說了那么多都只是角色行走，而在游戲中設(shè)計(jì)者的思路是天馬行空的，策劃可能想讓角色飛起來、游泳、吊單桿、爬梯子、以及各種逼著牛頓從棺材板出來的反物理行為（如多段跳、輕功）等，那么要如何處理這些移動(dòng)模式呢？
其實(shí)上面的每一種特殊的移動(dòng)方式，都需要特殊的處理方式，幾乎沒有統(tǒng)一的解決方案。比如爬梯子，為了讓玩家的手能夠與梯子的把手重合，我們需要嚴(yán)格設(shè)置梯子的每隔的間距，并做到與動(dòng)畫相適應(yīng)。同時(shí)，也需要做出一種特殊的移動(dòng)模式，只當(dāng)角色處于爬梯子狀態(tài)時(shí)只能勻速的修改坐標(biāo)的Z值。
簡(jiǎn)而言之，特殊模式很復(fù)雜，每一個(gè)功能拎出來一個(gè)都?jí)虺绦蚝兔佬g(shù)做一陣的。
《尼爾機(jī)械紀(jì)元》2B爬梯子的過程設(shè)計(jì)的非常舒適
3.特殊對(duì)象
我們控制的角色不一定是人形的角色，還可能是汽車、動(dòng)物。
對(duì)于汽車對(duì)象，有一點(diǎn)好處是我們基本不用考慮動(dòng)畫的適配問題，因?yàn)槠嚥恍枰袢艘粯訐]動(dòng)四肢，只要輪子動(dòng)起來就可以了（當(dāng)然像地平線、極品飛車這種3A級(jí)別的賽車游戲，車身的動(dòng)畫也是相當(dāng)復(fù)雜的）。但是我們需要在程序里面比較完美地模擬出其移動(dòng)的軌跡，這就必須要涉及到物理引擎的使用和優(yōu)化，難度也是相當(dāng)之高。
對(duì)于動(dòng)物，我們需要解決一些骨骼的處理問題，由于人形角色在游戲中使用的比較廣泛，相關(guān)的系統(tǒng)支持的都還算不錯(cuò)。但是由于動(dòng)物的骨架結(jié)構(gòu)與人不同，所以我們需要制作新的美術(shù)資源，這也就意味著人形的骨骼資源不能適配到動(dòng)物上。如果你做了各種結(jié)構(gòu)迥異的生物，那美術(shù)肯定就要被累死了。（所以，仔細(xì)觀察的話你會(huì)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)游戲里面很多小怪角色的身體結(jié)構(gòu)都是相似的）
4.多個(gè)移動(dòng)狀態(tài)的銜接
前面提到了角色可能走、跑、唱、跳、飛、游等，當(dāng)你從一個(gè)狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)應(yīng)該如何銜接？走著走著突然被車撞飛（有點(diǎn)慘），是應(yīng)該頭著地還是屁股著地？是被撞的一瞬間就切換成飛出去的動(dòng)畫么？假如你往前翻越一個(gè)柵欄的時(shí)候被打了一槍，應(yīng)該往前還是往后倒？翻墻的時(shí)候能翻越多高多厚的墻體？
有些時(shí)候我們可以通過開啟角色的Ragdoll（布娃娃系統(tǒng)），完全交給物理引擎去處理一些移動(dòng)模擬。但是很多情況下，我們想要玩家能夠控制最后的效果，所以又不能完全交給物理引擎。目前的部分引擎的動(dòng)畫系統(tǒng)支持基于物理的動(dòng)畫，我們可以按照固定權(quán)重進(jìn)行物理和動(dòng)畫的混合，一定程度上減少了美術(shù)的工作量，也可以做到一些更真實(shí)的效果。
5.移動(dòng)同步
前面說了那么多，還只是針對(duì)單機(jī)游戲。如果你是網(wǎng)游，那么你的角色動(dòng)起來的時(shí)候應(yīng)該如何告訴其他客戶端怎么動(dòng)？如果延遲過大造成兩個(gè)客戶端的位置或者動(dòng)畫不一樣怎么辦？在很多游戲中，移動(dòng)同步是一個(gè)相當(dāng)大的難題，因?yàn)橥婕业奈恢妹恳粠伎赡茉谧兓?/span>
常見的同步方案有“幀同步”（Lockstep）和“狀態(tài)同步”，也有很多優(yōu)化的方案，具體的細(xì)節(jié)可以參考我之前的系列文章。
網(wǎng)絡(luò)同步在游戲歷史中的發(fā)展變化（一）—— 網(wǎng)絡(luò)同步與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
網(wǎng)絡(luò)同步在游戲歷史中的發(fā)展變化（二）——?Lockstep與幀同步
網(wǎng)絡(luò)同步在游戲歷史中的發(fā)展變化（三）——?狀態(tài)同步的發(fā)展歷程與原理（上）
網(wǎng)絡(luò)同步在游戲歷史中的發(fā)展變化（四）—— 狀態(tài)同步的發(fā)展歷程與基本原理（下）
6.其他細(xì)節(jié)
比如關(guān)卡這個(gè)地方能不能走，不能走怎么防止玩家過去？（可以采用的空氣墻處理，然而玩家很討厭空氣墻）
能不能兩個(gè)人一起走過一個(gè)狹小的空間？因?yàn)?/span>如果一個(gè)玩家站在那里，其他玩家過不去可能體驗(yàn)會(huì)很差，所以可能考慮調(diào)整碰撞體大小來讓兩個(gè)人可以并排通過。當(dāng)然，這也涉及到關(guān)卡的設(shè)計(jì)問題。
走了一半穿模怎么辦？調(diào)整動(dòng)畫或者碰撞體。
類似的問題還有很多很多，我這里就不再一一列舉了。
總的來說，角色移動(dòng)不是簡(jiǎn)單的與某幾個(gè)系統(tǒng)有關(guān)，可以說他涉及到了整個(gè)Gameplay的大部分設(shè)計(jì)邏輯，甚至在一些游戲中，我們認(rèn)為他是游戲的玩法核心也毫不為過。
然而，很多時(shí)候，他顯得那么自然以至于很多玩家都將其忽略了。
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