超级角色控制器
诞生
Unity自带的是有一个CharacterController的，驱使我来研究这一超级角色控制器有很多原因：
- CharacterController把移动和跳跃等封装到了内部不好修改
- 大部分情况要结合Rigidbody来实现逻辑，但是官方建议这两个组件不要一起使用，会有很多问题
- 胶囊体碰撞，无法区分头部、身体、脚
- 使用Collider实现碰撞，运算量大
综上，在螺旋爆炸游戏开发中，我们决定重写角色控制器，也就是超级角色控制器
资料以及参考
大部分的研究资料来自http://jjyy.guru/super-character-controller-part1这篇文章，是一个博主早年翻译的一篇外国文章，我在这篇文章的算法研究上做了修改
代码解读
算法的说明这篇文章已经说的很清晰了，为防止文章关闭，在此复制了原文
碰撞检测
你会看到我已经把坐标标记为z轴和y轴，而不是x轴和y轴。这是因为我将会从顶视图来观察这个三维世界。由于顶视图的缘故，那个蓝色圆形是胶囊体。绿色矩形是一堵墙。理想的状况是，角色无法穿过墙壁。因此当角色与墙体交叉时，我希望能够检测出碰撞的发生，然后正确地进行处理。之所以我们自己处理碰撞检测，也就是看看圆形是否与矩形发生了交叉，有两个原因。一个是Unity有相当多的资源(我们后面会讲)来处理这个问题，第二个就是这是一个讲解碰撞检测的好例子。我们将会让碰撞体计算出正确的位置从而得到合理的行为。
上面展示了我们的角色尝试去朝着墙面运动。为了处理这个问题，我们从角色位移的起点与位移的终点之间进行一次扫略体测试。这次测试的结果是有一面墙在我们的前方，并且返回到墙面的距离。那么我们就可以直接拿到这个距离，将角色按照方向移动所得碰撞距离，从而移动到墙体之前。(PS:Unity有着很多内建的功能可以做到这点，包括Rigidbody.SweepTest,Physics.SphereCast,Physics.CapsuleCast)。
但是，这并不完全是我们想要的效果。如果我们用了这种方法，角色在与物体稍稍碰撞之后，就再也没有进行任何移动了。问题在于它缺少了现实中的反弹与侧滑。
这个效果就更加合理一些。最初的扫略测试是在移动方向上进行的。当扫略测试接触到墙体之后，角色就直接移动过去，就像刚才那样。但是这次我们更进一步，让角色向上滑动来补足丢失的移动，这样使得可以沿着表面滑动。这是一个理想中的角色控制器该有的行为，但这不是实现它的最佳方法。首先，这么做效率不是很高：每次你想移动角色，你就需要执行这个函数。如果每帧只执行一次还好，但是假如因为某些原因这个函数要执行多次，那就消耗很大。其次，碰撞处理是依赖于角色移动的方向和距离。如果角色因为某种神奇的原因进入了墙体内部，角色是不会被推出的。实际上，我发现这个问题很让人头疼。
这是一个糟糕的情况。我们可以看到我们的英雄现在已经在墙体内部了。这种情况下，我们不应该再考虑怎么像之前一样处理碰撞，而是当做一种独立的情况来处理。我们不再关心玩家朝哪个方向移动或者移动了多远。而是我们应该考虑的是，这一刻他应该在哪个位置，这个位置是否存在问题。在上图中，我们可以看到玩家正在与墙体交叉(在墙体内部了)，因此他当前位置存在问题，并且需要修正。自从我们不再将处理碰撞检测作为运动的反馈，我们是不知道之前的位置在哪或者移动了多远。而我们所知道的是，他目前卡在墙内，而我们需要将他从墙体内挪出来。但是应该挪到哪里呢？就像之前的例子一样，我们应该在刚接触墙面的时候就将其推出。这里我们有不少候选位置。
每个半透明黄色圆圈都指示了一个潜在的满足推出的位置。但是我们应该选择哪个呢？很简单，只要选择距离角色最近的墙面的最近点即可。
这里我们计算得出距离角色最近点位于右边。接着我们就可以将角色移动到该点，加上角色的半径(红色部分)。
代码解读
控制器主循环
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自带的Update方法中并没有执行真正的逻辑操作，而是只调用数次SingleUpdate函数，调用的次数取决于定义的频率，这样可在一帧的时间内多次执行碰撞检测函数，目的在确保角色不会因为移动速度太快而穿过物体跳过检测（实际上相当于重写了FixedUpdate函数，添加了更为方便的控制方法）
SingleUpdate
实际逻辑的循环分为几个部分：
检测地面
该部分会检测角色脚下的地面，并给出地面信息，包括地面法线、游戏性信息等等
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类定义
****
ProbeGround(1);
****
ProbeGround(2);
****
ProbeGround(3);
****
执行三次的原因是因为后续会有移动角色的操作，而移动角色后角色可能移动到了另一种地面，所以需要在每次移动操作后都检测地面，1，2，3的参数只是用于Debug
角色运动
这一模块处理了角色运动
if (isMoveToTarget)
{
transform.position = targetPosition;
isMoveToTarget = false;
}
transform.position += moveDirection * deltaTime;
//gameObject.SendMessage("SuperUpdate", SendMessageOptions.DontRequireReceiver);
fsm.CurrentState.Reason();
fsm.CurrentState.Act();
首先判断角色是否是瞬移到了某个位置，由于这一瞬移是一次性的，所以用一个bool信号量来标记
对外的接口是这样的：
public void MoveToTarget(Vector3 target)
{
targetPosition = target;
isMoveToTarget = true;
}
如果调用了MoveToTarget函数，角色则会瞬移
transform.position += moveDirection * deltaTime;
这句话处理了角色的连续运动，moveDirection在常态下是零向量，会根据角色的运动状态进行改变，运动接口如下
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;
}
参数分别代表方向，速度和加速度，函数作用是在角色的水平平面上按一定最大速度和加速度移动，实现方式很简单，就是对当前水平速度和目标速度线性插值，而角色改变了速度，也就发生了位移
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);
}
垂直方向的移动实现是相同的
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);
}
旋转的实现与平移不同，首先我规定角色是不可以上下转的（这样看起来实在很蠢，如果读者需要可自行修改），旋转是有四元数定义的，而四元数的线性插值并不是我们想象的那样规律，所以旋转的接口实现在控制器内部是瞬间完成的，若需要完成持续旋转请在控制器外部调用时使用对角度的线性插值
fsm.CurrentState.Reason();
fsm.CurrentState.Act();
最后两行代码读者可不必理解，这是通过FSM有限自动状态机来维护角色状态的改变和运动逻辑，我会在之后的文章介绍并实现
碰撞回推
collisionData.Clear();
RecursivePushback(0, MaxPushbackIterations);
这一部分就是之前介绍的碰撞检测的实现，代码如下：
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);
}
}
需要注意的是这里添加了IgnoreCollider，保证我们在游戏中可以忽略一些物体的碰撞，返回的collisionData和triggerData分别代表了不可穿越的碰撞和可穿越的触发
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;
}
实现原理同样不难，计算角色与地面法线夹角，判断是否超过最大角度
附着地面
附着地面则是Unity角色控制器所不具备的能力，而且相当重要。当水平走过不平的路面时，控制器将不会紧贴着地面。在真实世界当中，我们通过双腿每次的轻微上下来保持平衡。但是在游戏世界中，我们需要特殊处理。与真实世界不同的是，重力不是总是作用在控制器身上。当我们没有站在平面上时，会添加向下的重力加速度。当我们在平面上时，我们设置垂直速度为0，表示平面的作用力。由于我们站在平面上的垂直速度为0，当我们走出平面时，需要时间来产生向下的速度。对于走出悬崖来说，这么做没问题，但是当我们在斜坡或者不平滑的路面行走时，会产生不真实的反弹效果。为了避免有视觉问题，在地面与非地面之间的振幅会构成逻辑问题，特别是在地面上与掉落时的差别。
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;
}
实现即是将角色向下移动紧贴地面，由于检测地面的原因，这步已经不需要很多工作量了。
尾声
至此基本的代码原理都已讲清，至于具体使用时会有一些方便的接口，我将和超级FSM状态机一同介绍，感谢
