3D 游戏实战开发 | 青训营笔记

我是濮星兰
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这是我参与「第五届青训营 」笔记创作活动的第16天。

前言

本节课程主要分为四个方面：

  1. 3D 游戏中的实体模型、材质与位姿
  2. 相机、光照、天空盒
  3. 游戏控制、刚体属性与物理碰撞
  4. 玩法逻辑与游戏UI

课前部分主要罗列课程中涉及到的概念。对于不熟悉的概念，同学们可以提前查询预习；课中部分主要罗列每一部分的关键思路，帮助同学们跟上课程的进度；课后部分是一些问题，帮助同学们在课后梳理本课程的重点。

3D 游戏引擎初探

  • 下载并运行 Unity 软件

  • 熟悉 Unity 界面

    • Scene（场景）面板
    • Game（游戏）面板
    • Hierarchy（层级）面板
    • Project（项目）面板
    • Inspector （检视器）面板
    • Console（控制台）面板

  • 理解 Unity 中的 GameObject （实体）及其挂载的 Component （组件）

    • Camera（相机）实体
    • Light（光照）实体
    • Transform（变换）组件：位置、旋转和缩放
    • Mesh（网格）组件与 Material （材质）组件
    • RigidBody（刚体）组件：物理模拟
    • Collision（碰撞器）组件：碰撞检测

  • Input（游戏输入）与 InputManager（输入管理器）

  • Tag（标签）、Layer（图层）与 Physics（物理规则）

  • Prefab（预制体）与 Instantiate（实例化）

  • 在 GameObject 上挂载 Script（脚本）

  • GUI（图形用户界面）和游戏管理

  • 下载 Unity 之外的另一款 3D 游戏引擎，在其中寻找以上概念在另一款 3D 游戏引擎中的平行概念。以下是建议的另一款 3D 游戏引擎：

    • UE（Unreal Engine 虚幻引擎，UE4 或 UE5）
    • Roblox（罗布乐思）

C# 编程语言

  • 变量及作用域
  • 数值运算、布尔运算和比较运算符
  • 顺序结构、条件分歧与循环结构
  • 函数与参数
  • C#中的数组、集合与List
  • 类与面向对象
  • 代码调试

实时 3D 游戏开发中的概念

  • 实时游戏

    • 帧率
    • 物理、逻辑与渲染
    • 状态迁移

  • 不同游戏平台的输入设备

  • 3D 碰撞处理

  • AI 与 决策树

游戏静态场景搭建

3D实体

  • 3D游戏是由一个个具有形状的实体组成的。每个实体在空间中存在于特定的位置，有特定的姿态（旋转角度）。

  • 3D实体的创建

    • 通过加载3D模型创建，如 fbx、gltf、obj。
    • 通过组合参数化的基本几何体创建。

  • 3D实体的变换组件

    • 位移变换：三维向量。你所用的游戏引擎是左手坐标系还是右手坐标系？
    • 旋转变换：俯仰角、偏航角、滚转角

  • 缩放变换

  • 3D实体的材质、颜色与纹理设置。

预制体

  • 预制体

    • 什么是预制体？
    • 预制体与实例化对象的关系是什么？
    • 如何创建预制体？
    • 如何在游戏运行过程中根据预制体实时实例化对象？

场景氛围渲染

相机

  • Clear Flag。

  • 背景颜色。

  • Culling Mask。

  • 投影类型

    • 透视投影：far、near、fov
    • 正交投影：far、near、size

如何根据相机参数沟通2D屏幕与3D场景之间的联系？

一个场景可以有多个相机吗？

光照

  • 类型：点光源、平行光、聚光灯、面积光。

  • 颜色。

  • 强度。

  • 阴影类型。

    • 软阴影。
    • 硬阴影。

天空盒

  • 概念：游戏中的天空盒是一个包裹整个场景的立方体,可以很好地渲染并展示整个场景环境。

  • 学习配置天空盒：

    • 相机的清除标志设为“天空盒”。
    • 窗口-渲染-照明-环境-天空盒材质设置。

让场景中的实体动起来

3D 实时游戏的执行时序

  • 实时游戏的运行帧

    • 帧率60可以流畅运行，帧率30差强人意，帧率20及以下会感受到明显卡顿
    • 帧率60意味着每一帧运行时间16.67毫秒
    • 一帧内，需要执行物理计算（含运动学与动力学计算、碰撞检测）、用户输入检测、游戏逻辑执行、渲染画面，如果时间还有富余，停顿到16.67毫秒。
    • 游戏中的实体有静态的实体，也有动态的实体。对于动态的实体，我们需要为其设置刚体属性、碰撞/触发属性或执行脚本。
    • 游戏的优化主要是减少物理、逻辑或渲染中的运算量。例如减少无意义的碰撞检测，用更少的计算量达到相同的执行目标，在用户感知不到差异的前提下尽可能裁剪渲染。

刚体组件 RigidBody

  • 概念：刚体是指在运动中和受力作用后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不变的物体。现实生活中，刚体受力后，运动状态会发生改变（牛顿第一定律）；相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反（牛顿第三定律）。
  • 但是在 3D 游戏中，刚体的性质遵守游戏设定的规则而不是牛顿定律。例如悬浮在空中的踏板、空气墙、无论多大的力都推不动的石子、不受重力作用的裙子。
  • RigidBody 组件中的 Use Gravity：顾名思义，指示当前刚体是否受重力作用。
  • RigidBody 组件中的 isKinematic：是否受脚本规则影响运动而非受牛顿定律控制运动状态。
  • RigidBody 组件中的 Constraints：是否在某个坐标轴上冻结位移状态或旋转状态。

碰撞盒组件 Colider

  • 碰撞盒之间进行碰撞检测，当碰撞盒A与碰撞盒B碰撞时，会调用碰撞盒A所在对象的 OnCollisionEnter 方法，并将碰撞盒B作为参数传入；同时也会调用碰撞盒B所在对象的 OnCollisionEnter 方法，并将碰撞盒A作为参数传入。

  • 如果将碰撞盒的 Trigger 勾选，那么这个碰撞盒会成为触发器，不会碰撞其他碰撞盒或给其他碰撞盒施加力，会穿过其他碰撞盒，仅检测是否与其他碰撞盒重合，触发的事件为 OnTriggerEnter 。

  • 可以通过配置图层 Layer 与 物理规则 Physics 来指定哪些实体之间会进行碰撞检测，减少碰撞检测次数。

    • 菜单栏中执行 Edit > Project Settings > Tags and Layers 命令可以设置项目中的Tags或Layers。
    • 菜单栏中执行 Edit > Project Settings > Physics 命令可以设置项目中不同Layers之间的碰撞规则。
    • 可以选中 GameObject 设置其 Tag 和 Layer。

输入管理器 InputManager

  • 概念：InputManager 是 Unity 设置输入响应方式的管理列表，它的位置在 Edit > Project Setting > Input 中。
  • 用户的输入在不同的平台会有不同的物理媒介，比如在电脑上通过键盘与鼠标进行输入，在主机游戏上通过手柄输入，在移动端通过虚拟按键输入……InputManager 方便用户把不同的跨平台输入方式作为黑盒，针对同一类输入信号用统一的算法进行逻辑处理。比如水平移动信号，可以通过键盘上的a键或左方向键（向左，沿x轴负方向运动），也可以通过键盘上的d键或右方向键（向右，沿x轴正方向运动），也可以通过手柄或虚拟手柄的x轴方向手柄来输入。
  • Unity 的输入管理器中可以设置多个输入信号（InputAxis），Input.GetAxis() 可以读取用户是否输入这些信号。
  • 每次调用 Input.GetAxis() 都会返回一个 -1 到 1 之间的浮点数值。0代表没有信号，1代表正向信号，-1代表负向信号。
  • 灵敏度（Sensitivity）与重力（Grivity）分别代表用户按下或松开按键后，从无信号状态到满信号状态的过渡时间。例如灵敏度为3，那么当用户按下a后，x轴方向的输入信号从0过渡到-1需要1/3秒过渡。如果重力为3，意味着用户松开a后，x轴方向的输入信号从-1过渡回0需要1/3秒过渡。

Unity 脚本：派生自 MonoBehaviour 类

  • Unity 脚本可以作为作者的自定义插件挂载在 GameObject 上，每一帧游戏逻辑的执行阶段，会依次运行每一个有脚本的 GameObject 上的所有脚本。

    • Start() 在首次调用任何 Update 方法之前在帧上调用 Start()。
    • Update() 每帧调用 Update()。
    • FixedUpdate() 用于物理计算且独立于帧率。具有物理系统的频率；每个固定帧率帧调用该函数。
    • LateUpdate() LateUpdate 在每一次调用 Update 函数后调用。
    • OnDisable() 该函数在对象被禁用时调用。对象销毁时也会调用该函数。
    • OnEnable() 该函数在对象变为启用和激活状态时调用。

完成游戏逻辑与游戏GUI

  • 学习在Unity中创建实体，给实体设置位姿、材质、刚体、脚本。
  • 学会配置相机、光、天空盒。
  • 理解实时游戏update的时序机制。
  • 通过Input.GetAxis()与InputManager监听玩家输入。
  • 用Instantiate()动态生成游戏实体实例。
  • 从Camera.main获得相机参数，设置场景中的物体在画面中的位置。
  • 利用标签、图层管理器区分实体种类并设置物理规则。
  • 通过 Collider 组件与 OnCollision、OnTrigger 函数添加碰撞与触发事件。
  • 通过图形用户界面（GUI）管理游戏界面。

总结

  • 学习在 Unity 中创建实体，给实体设置位姿、材质、刚体、脚本

  • 学会配置相机、光、天光盒

  • 理解实时游戏 update 的时序机制

  • 通过 Input.GetAxis() 与 InputManager 监听玩家输入

  • 用 Instantiate() 动态生成游戏实体实例

  • 从 Camera.main 获得相机参数，设置场景中的物体在画面中的位置

  • 利用标签、图层管理器区分实体种类并设置物理规则

  • 通过 Collider 组件与 OnTrigger 函数添加碰撞事件

  • 通过图形用户界面 （GUI）管理游戏界面

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