基于Unity3D的道具系统研究与开发

第 卷 第期 成都理工大学学报（ 自然科学版） 年月 （ ） ： 文章编号 （ ） 收稿日期 基金项目教育部人文社科振兴专项计划项目； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ ） 第一作者于潇翔（ ） ， 男， 硕士， 研究方向： 虚拟现实与虚拟景观， ： 。 基于 的道具系统研究与开发 于潇翔，彭月橙，黄心渊 （北京林业大学 信息学院， 北京 ；北京林业大学 艺术设计学院， 北京 ； 中国传媒大学 动画与数字艺术学院， 北京 ） 摘要探讨运用 研究与开发游戏道具系统。从道具的属性、 生成、 运动规律、 碰撞 检测进行整理和剖析， 开发完成单机游戏“ 傣寨接宝” 并成功移植于 平台。通过用户 测试（ 人） ， 改进道具、 场景与各阶段随机值等， 使其较好地平衡了用户体验与博弈价值。结 果表明道具系统中 种道具的属性设计良好， 程序实现的生成、 运动和碰撞等行为基本符合 预设。基于 的道具系统应以属性研究为基础， 以生成、 运动和碰撞为开发主体。 关键词 ； 游戏； 道具 分类号 ； 文献标志码 道具系统是游戏开发和数字化应用的重要环 节， 其设计与运算虽因人而异， 却有规律可循， 然 而鲜有研究资料对其进行整理与分析。本文以实 际开发经验为基础， 以 为平台， 对道具 系统的设计与实现进行理论研究与实践验证。 是由丹麦 公 司开发的一款专业游戏引擎， 具有高度优化的图 形渲染管道和内建的 物理引擎， 能较真实地模拟三维空间下物体的运动和碰撞， 并通过 、 粒子系统、 声效等辅助手段给用户 以反馈 ， 为游戏道具系统的设计与开发提供 更多思路。相较 、 、 等 引擎， 其易用、 多脚本、 跨平台等特性 也为道具 构架 创造了更多可能。 本研究源于教育部人文社科振兴专项计划项 目“ 新媒体技术在非物质文化遗产保护中的应用 研究” ， 项目以“ 竹” 为线索， 将傣族的文化与艺术 通过新媒体的形式进行呈现。其中， 游戏“ 傣寨接 宝” 的交互设计基于 平台进行开发， 并 实现了 平台的移植操作， 通过手机重力 感应控制角色接收正向道具并规避负向道具。本 文主要从道具系统的理论设计角度， 对项目操作 过程中的实践经验进行总结和分析。由于篇幅限 制， 实践中其余部分如场景、 角色、 、 粒子系 统、 声音等开发环节未在此展开讨论。 系统设计与实现 道具属性 道具的属性在数量、 速度、 出现率、 作用效果 等方面存在差异， 以此决定其对角色和场景的影 响力及影响范围。道具属性的多样性和随机性越 高， 游戏的博弈价值就越大， 平衡性 也越好。道 具的数据设计需考虑娱乐主题、 游戏性质 、 受众 群体 、 操作平台等多种因素。实践中， 共设定 组 种道具， 分别对分数（ ） 、 生命值（） 、 场景 复杂度等方面产生单一或综合效应。其中， 前 组（ ， ） 为正向道具（ ） ， 第组 （ ） 为负向道具（ ） ， 第组（ ） 为随 机道具（ ） （ 图 ） 。 表为部分道具编辑器 ， 包含道具的 、 名称、 效果和原始数据等， 而实际运行中的数据 原始数据随机值， 因此道具的最终行为会在原 图 道具种类（ 左） 、 正向道具影响范围（ 中） 、 负向道具影响范围（ 右） ， ， 始数据的基础上产生小范围波动， 但总体期望仍 呈现原有趋势。在处理涉及几率的数据时， 尽量 使其成对并呈互补关系， 如 或 ， 利于后期程序的简化。 游戏进程直接影响随机值的范围， 实践中采 用百分递进制， 即分数每增加 ， 随机值范围变 动一次； 当分数 后， 随机值保持在第 等 级。随机值变动对道具的影响主要体现在速度的 递增以及正负向道具数量的此消彼长， 使游戏难 度有数值上的量化。随机值变化应在总体趋势上 保持稳定， 但偶尔反弹可打乱节奏， 如随机道具的 出现率在特定分数段下的骤增（ ） 。图 为游戏进程与随机值的关系， 为简化图表， 图中的 随机值均为随机范围的最高值， 即 代表 之间的所有浮点数。 道具生成 道具是在一定范围内基于一定规律生成并运 动的， 因此， 需要相对固定的生成点（ 起始点） 限制 道具的出现位置； 同时， 道具需在游戏运行后实时 生成， 且在不同阶段的生成会呈现差异（ 图） ， 而 其中道具总量的控制和道具的生成选择均由生成 点 进 行 调 整 。在 中 ，道 具 可 通 过 表 道具固有属性 名称象脚鼓葫芦丝巴乌斗笠筒帕贝叶经竹筒饭菠萝蜜菩提花芭蕉叶 速度 出现率 效果 满上限 无视 名称孔雀翎圣象织棉鱼篓银刀鞘陶罐纸伞竹笋鸡笼喃咪孔明灯 速度 出现率 效果 道具 速度减半 无 且 量 销毁 其他道具 限制角 色移动范围 干扰 视野 角色 无法移动 随机随机 图 游戏进程与随机值 成都理工大学学报（ 自然科学版） 第 卷 （ ） 函数继承空间原有组件的三维坐 标， 因此需在场景中创建一些空组件并将生成脚 本（ ） 赋给它们。 实践中共设 个生成点，个在顶端（ ） ， 另外 个平均分布于两侧（ 左 ， 右 ， ） ， 但每个点的生成几率 并不相同， 有些较为“ 活跃” ， 即随机生成率较高， 反之亦然。总体上， 生成率在 和 的点 数相等， 而 较少， 即活跃点、 中间点、 不活跃点 的比重应控制为 ， 在设计上需使数据成对 并呈现互补关系， 在分布上需注意疏密与非对称。 图为生成点信息， 生成率均为随机范围的最高 值。 图 生成点信息 道具生成基于循环算法， 的 （ ） 函数每帧运行一次， 可实现道具的实时生 成与更新 ，。同时， 每种道具的生成尽管随机 却需符合一定条件（ 原始数据、 游戏进程等） ， 因此 通过条件语句和函数返回值控制各个道具的出现 情况（ 图） 。 另外， 对于生成的道具， 若全部克隆会占用大 量系统资源， 而 提供的预制件（ ） 类型， 在批量复制时数据只被调用一次 ， 类似 里的元件， 能很大程度减少存储空 间， 加快运行速度。 道具运动规律 相对于 绘制的物体运动， 创建 场景 能够带来更大的可操作性。因此在实践中， 摄影 机视角固定且垂直于平面， 道具在方向的 无位移， 保证其在二维坐标系中运动。将摄像机 垂直于背景并设为 ， 锁定角色和道 具的运动平面， 即可模拟所需的 效果（ 图） 。 道具运动通常分为类： 自由落体、 斜抛、 平 抛和反弹。实践中， 从顶部生成的道具做自由落 体运动， 从侧面生成点被投掷出的道具有随机方 向的动量， 因此做斜抛运动； 同时， 所有道具均会 受到水平方向随机风力的作用产生平抛或类平抛 运动， 而当道具与侧面产生碰撞后造成反弹（ 图 ） 。 实践中， 需要为道具添加刚体组件， 使其在物 理引擎的作用下模拟运动， 通过 （ ） 和 （ ） 分别添加抛力与转动力 ， 即可使 刚体得到符合现实的运动。图为实践中道具的 运动规律， 侧面生成点将道具以随机力掷出。轨 迹所示为向上斜抛， 道具到达点（ 最高点） 时， 初速度的垂直分量 为， 道具从点开 始做平抛运动。若 距离足够， 道具将落至地 面； 若过大或受水平风力干扰而使道具在未落 地前与侧面（ 点） 产生碰撞， 道具反弹并以 做 反向斜抛运动。在给定的初始动量下， 抛射角为 时， 抛射距离可达最远 ， 因此极有可能与侧 面碰撞产生反弹。轨迹所示为向下斜抛， 由于 通常大于 且垂直距离相较轨迹更 短， 因此虽有一定偏转， 道具总体仍沿初始动量方 向直线运动。轨迹所示为大角度（ ） 向上 斜抛， 若初始动量较大， 则道具极可能与顶部产生 图 道具生成流程 第期于潇翔等： 基于 的道具系统研究与开发 图 自转机制 图 平面化场景 图 道具运动规律 碰撞。由于碰撞速度的方向和大小均随机， 为简 化计算并避免顶部生成点受到干扰， 反弹后道具 的碰撞速度归零， 做自由落体运动。道具的其余 运动形式亦可参照此图。顶部生成的道具只受 作用， 做自由落体运动。若下落期间受到水 平风力干扰， 则被赋予水平随机初速度（ 如） 后 做平抛运动， 类似图中点之后的轨迹。 的物理引擎 可模拟较真实的 下落状态， 根据道具的不同质量产生不同的下落 速度。此外， 可通过调整 的数值控制整体 速度 ， 从而实现道具加速、 减速以及暂停下落， 思路如下。 （ ） 判断是否拾取 ； 下落速度归零 （ ， （ ） ， ） ； 实时更 新物体坐标 （ ） 通过分数调整速度等 级 ； （ ） ； 除自由落体外， 也能较好处理斜抛 运动。基于发射原理， 使物体继承一定的初速度 和方向， 思路如下。 （ ， ， ） ； 生成道具， 继承坐标和旋转角度 （ （， ） ） ； 利用运动属性规定道具的方向和力 实践中， 侧面生成点的发射角度需随时变化， 使道具产生不同方向的斜抛运动， 因此需设置某 种自转机制使生成点沿轴以一定速度向一侧 旋转， 同时以一定频率向相反方向旋转。此外， 还 需钳制旋转范围（ ） ， 即生成点不得 向上向下垂直发射道具或超出屏幕（ 图） 。 水平随机风力的实现可依赖 风域 系统中的定向风 ， 其中湍流、 振幅及频率等参数 基本固定， 只需为基础风力乘以脚本生成的随机 值。此外， 另需个随机值控制风域的开启和 关闭以及水平风力的作用时间等。 成都理工大学学报（ 自然科学版） 第 卷 碰撞检测 道具通过碰撞调用特定的方法， 从而对角色、 场景或其他道具的状态实时修改。为实现接触时 应有的反应， 需要为道具是否产生碰撞进行检定， 即碰撞检测 ， 通常角色与道具和场景的交互 都是通过碰撞检测完成的。就游戏而言， 执行速 度是重要指标， 因为十分精确的碰撞检测很耗 时 ， 所以检测通常基于标准几何形体的碰撞外 形 （ ， 和 ） 实现。为减少计算量， 实践中的道具无 论其结构和材质皆视为刚体， 碰撞反应的处理根 据标准的牛顿碰撞定律。 实践中， 角色和场景是碰撞检测脚本的载体， 前者可与所有道具产生碰撞并触发相应效果， 后 者只产生反弹或触发少量负向道具的效果。此 外， 陶罐是较特殊的碰撞体， 会销毁碰撞的双方并 播放粒子动画。以下分别为角色碰撞检测算法 （ 以某正向物体为例） 和陶罐碰撞检测算法： （ ： ） （ “ “ ） 碰撞体标签 为“ ” （ 象脚鼓） （ ） ； 销毁碰撞物体 （ ） ； 调用相应的方法 ； （ ） 判断是否已经拾取， 防止重复 ； （ “ “ ） 碰撞体标 签为“ ” （ 斗笠） ： ； 为碎片粒子创建一个接口 （ ： ） 判断陶罐是否与其他物体产生碰撞 （ ， ， ） ； 实例化碎片粒子对象 （ ） ； 道具的碰撞主要分为类： 道具与道具、 道具 与场景、 道具与角色。实践中， 除陶罐外， 道具间 通常是基于 的简单碰撞， 无任何触 发效果； 而陶罐由于其特殊属性及球体外形， 可添 加 并触发粒子系统实现破碎效 果 。道具与场景的碰撞分为两类， 一是与侧面 碰撞对运动轨迹产生影响（ 陶罐直接破碎） ， 二是 碰撞后触发特定脚本对场景造成影响， 如纸伞 （ ） 、 竹笋（ ） 等。道具 与角色的碰撞情况较多， 正负向和随机道具触发 结果均不同。 碰撞器除做碰撞检测外， 也能通过脚本实现 碰撞过滤， 即设置当前对象的忽略碰撞体为某类 对象； 同理需用“ ” 进行筛选后将其碰撞体的 属性改为 ， 如芭蕉叶的效果即为角 色忽略所有负向道具的碰撞体。合理运用 中的碰撞检测系统可实现道具与角色、 场景的 多种交互。 结果与讨论 基于本文的设计理念和算法思路， 游戏“ 傣寨 接宝” 得以开发完成， 并形成 、 和移动终 端（ 系统） 种不同版本。通过用户测试 （ 人） 调整道具属性、 场景属性与各阶段随机值 等， 使其较好地平衡了用户体验与博弈价值。在 道具系统方面， 本文主要从方面进行了理论研 究与实践论证， 得到以下结论： 第一， 道具属性的 设定应充分考虑各方面因素， 通常简单分为正向、 负向和随机道具类， 利用道具编辑器进行详细 设置与管理； 此外， 道具的实际运行数据由于随机 值的影响而随游戏进程产生波动。第二， 生成点 需控制道具生成的范围、 种类和初速度等， 生成总 量由点的活跃度控制， 道具以 形式基于循 环模式实时生成。第三， 道具运动通常有自由落 体、 斜抛、 平抛和反弹种形式， 基于刚体组件和 物理引擎实现， 运动轨迹有比较明确的规律可循， 但干扰因素（ 如水平风力） 可增加运动的随机性。 第四， 碰撞检测通常是基于标准几何碰撞体的刚 体碰撞， 分为道具与道具、 道具与场景、 道具与角 色类， 碰撞后执行动画或销毁命令。 本文提出的道具系统具有较强的实用性和扩 展性， 不但适用于同类型严肃游戏和休闲游戏， 亦 可推广于动作（ ） 、 冒险（ ） 、 模拟（ ） 、 角色扮演（ ） 等 游戏。当然， 本系统中仍存 在不足之处， 例如 的多样性导致的 不规则碰撞常产生意料之外的运动， 而标准几何 形体的碰撞外形又难以满足各种形状， 造成碰撞 体与道具模型边缘的间隔过大而产生失真碰撞。 这些问题在进一步研究中， 可通过优化碰撞算法 和控制运动轨迹等方式进行改进。 第期于潇翔等： 基于 的道具系统研究与开发 在开发平台方面， 支持大部分自定 义素材， 对模型、 材质、 动画序列帧等均可以脚本 的形式进行管理与调用， 但道具系统开发仍对资 源的预处理和整合提出较高要求。此外， 的脚本系统、 物理引擎、 三维图形渲染引擎、 无 缝移植的跨平台操作、 与 等体感设备的连 结等 都为道具系统的设计提供了更丰富的技 术资源和更大胆的设计思路。因此， 将 应用于道具系统的分析与研究十分具有价值和潜 力， 道具带来的交互体验