基于Unity3D的汽车驾驶游戏的设计与实现(毕业论文)

目 录 摘摘 要要 .I ABSTRACT.II 一、一、绪论绪论 .1 （一）研究背景和研究意义.1 （二）国内外研究现状.1 （三）论文组织结构.2 二、二、3D 游游戏戏技技术术的知的知识识系系统统.2 （一）3D 图形库.2 （二）物理引擎.5 （三）UNITY3D .8 三、三、车辆驾驶车辆驾驶游游戏戏的的设计设计 .11 （一）游戏创意.11 （二）游戏框架结构设计.13 （三）游戏层次结构设计.14 四、四、车辆驾驶车辆驾驶游游戏戏的的实现实现 .15 （一）场景渲染实现.15 （二）场景物理仿真实现.21 （三）汽车动力学模拟.22 （四）用户图形界面实现.24 （五）网络联机模块实现.27 五、五、游游戏戏展示与性能分析展示与性能分析 .28 （一）游戏展示.28 （二）性能分析.30 六、六、项项目目总结总结 .32 （一）总结.32 （二）下一步工作的展望.33 参考文献参考文献.34 摘 要 随着计算机技术的发展，电子游戏的形式越来越丰富，用户对于电子游戏的娱乐性需求也越 来越高，追求更加真实的感官体验成为电子游戏的一条发展趋势。作为虚拟现实领域的一项的综 合应用，3D 游戏已经在电脑、手机、机顶盒等多平台得到了普及，相对于传统的 2D 游戏，3D 游 戏让用户感觉更融入，更加享受，但所依赖的计算机技术也更加复杂，计算机图形学、物理仿真等 都成为 3D 游戏开发所需要的重点研究方向。我国在电子游戏领域的发展与领先国家还具有一定 的差距，为了振兴本国电子游戏行业，对这一项综合应用所涉及的技术进行整体的梳理是完全有 必要的。 论文按照从设计到实现，从理论到应用。首先介绍了 3D 游戏的一般技术框架，之后围绕一款 基于 Unity3D 的小型的汽车驾驶游戏，使用 Unity3D 支持多个平台，可方便引入各方面插件。在 游戏设计和实现阶段，先简单介绍了游戏的创意，接着设计了整个游戏的的整体结构，并将游戏 系统主要分为图形渲染、物理仿真、网络同步等模块，图形渲染使用 Unity3D 中 OpenGL 插件，使 得游戏可以运行到手机平台，为了更精确、更快速处理汽车的物理仿真，使用了 PhysX 来对车身 及场景进行物理设计，着重涉及到碰撞检测、车身刚体及轮胎的悬挂系统的概念及算法，并且增 加界面设计及网络模块使得用户增加互动性。论文的最后对游戏做了一定的分析，在执行效率及 可玩性做出了改进展望。 整个游戏系统各模块之间接口灵活且耦合性低，且运行效率高，虽然属于小型游戏，但涉及 的技术点较为全面，可以为同类问题提供参考。 关键字：Unity3D，游戏，图形引擎，物理引擎，PhysX，汽车驾驶 Abstract With the development of the electronic science,forms of electronic games are becoming richer and richer,meanwhile that users need to more real sense judgment has been an important progress trend.As an application of the virtual reality,3D games is available on all the major computer,mobile platforms, set-top boxes and so on.3D games make users easier immerse in enjoying it compared with 2D games,but require more complex technique,so that Computer Graphic and Collider detection have been key research fields.The industry level of 3D games falls behind in China at present,it is a meaning work to go through the technology of the comprehensive application. The thesis is order from theory to application.Firstly this paper introduces the base framework of 3D games,and then develop a vehicle game by Unity3D,which supports multiple platforms and easier to develop by the plugin.In the specific game,introduce the idea of this game and discuss the overall design of the integral structure.This game is broken down into modules such as graphic rending,physical simulation and network.Graphic rendering uses OpenGL plugin in Unity3D,which makes game run in mobilephone. Physical simulation depends on PhysX which can obtain more accurate results to design the rigid body of the car,the suspension of the wheels and the scene.In order to add interactivity we add network and UI module.In the end,this paper analysis this game to put forward the next improvement. This vehicle game is mini,but owns some advantages such as flexible module interfaces,low coupling and fast executing.Most importantly this paper refers to most aspects of a 3D game and provide a reference for developers who has a similar requirement. Keywords: Unity3D, game,graphic engine, physical engine, PhysX, automobilism 一、绪论 一一一 研究背景和研究意义 这几年，中国经济以 8%左右的速度持续平稳的增长，而在刚刚过去的 2012 年中 国游戏市场实际销售收入 602.8 亿元，同比增长率为 35.1%，首次突破 600 亿规模1。 游戏产业己经成为经济市场中增长速度最快的热点，是众所关注的焦点。游戏是文化 创意产业里的一部分，创意经济是知识经济的核心内容，更是其经济的重要表现形式， 没有创意就没有新经济。游戏设计是文化艺术创意和商品生产的结合，游戏产业的发 展在中国的经济发展中具有十分重要的意义2: 1.有利于保护民族的文化传统和价值观，抵制文化入侵; 2.推动创意产业的快速发展，提升我国经济产业发展水平; 3.提供健康快乐的大众娱乐方式，提升消费者的休闲体验感受。 游戏的发展从表现方法上经历了 2D 游戏和 3D 游戏两个阶段。游戏设计，特别 是 3D 游戏开发综合运用了计算机图形学、物理仿真和网络通讯等技术，并且移动平 台技术在这几年得到迅猛发展，轻量级、微创新、时间碎片化一直是移动游戏的发展 趋势，如愤怒的小鸟、 顽皮鳄鱼爱洗澡、 神庙逃亡的用户数都已经过亿。论文通 过一个简单的“碰碰车”创意予以实现，涵盖了 3D 游戏涉及到的一些基本技术，能深 入理解这些领域的底层技术并熟练掌握成熟的引擎使用，对于将来开发具有自主知 识产权的游戏提供了参考。 一一一 国内外研究现状 国外的 3D 游戏起步在 90 年代初，美国的卡马克的重返德军总部 3D是第一部 3D 第一人称射击游戏，由其开发的 Doom 引擎也成为最早 3D 游戏引擎。国内首款自 主研发的 3D 游戏始于 2003 年，到目前为止，国内在 3D 游戏已经有了很多的研究， 但由于 3D 游戏开发的复杂性及经济效益的考虑，国内只有屈指可数的互联网公司拥 有自主研发的 3D 游戏引擎，中小型公司还是使用国外较为成熟的游戏引擎和工具， 如虚幻，Unity3D，寒霜。虽然近年来国内涌现一些优秀的 3D 网游诸如剑侠情缘 3、 九阴真经，但一直无法像产出世界级的 3D 游戏大作，大部分游戏公司还是以代理 国外优秀产品为主，导致资金外流及本土文化缺失。 随着移动硬件设备的日益强大，移动平台上的游戏也出现了惊人的增长，3D 互动 娱乐在手机领域的应用也逐渐增加。而移动领域存在诸多的操作系统，常用的有 Android、Windows Mobile、iOS 等，而在各个平台上的移植和实现对于开发商来说是 不经济的，而目前国外优秀的成熟引擎已经成功解决这类需求，最为突出的要数 Unity3D 引擎，Unity3D 中使用虚拟机技术使游戏编译结果独立于平台执行。国内对 于跨平台引擎技术的研究还处于起步阶段，但熟练掌握和理解这些引擎的使用依然 具有一定意义。 一一一 论文组织结构 论文按照从设计到实现，从理论到应用，主要围绕一款基于 Unity3D 的小型的汽 车驾驶游戏，对一些 3D 游戏设计的技术进行相关的研究，并予以设计实现。本文共 分为六章，各章节安排如下： 第一部分：绪论，阐述了论文的研究背景和意义、国内外研究现状以及本文主要研 究内容； 第二部分：介绍了 3D 游戏开发的一般技术框架，及相关的第三方引擎，主要有图 形渲染库、物理引擎及 Unity3D 的概述； 第三部分：汽车驾驶游戏的创意以及游戏系统的整体设计，并根据 Unity3D 框架 规范设计了一种 MVC 层次结构； 第四部分：讨论游戏中各模块的技术研究和实现过程，主要的核心模块是场景渲 染和物理仿真； 第五部分：展示当前的游戏并对效率、玩法等方面做一定分析； 第六部分：结论，对该设计进行总结并指出其中的不足，提出下一步展望。 二、3D 游戏技术的知识系统 一一一 3D 图形库 1. 3D 图形库简介 3D 图形库被定义为显卡与应用程序直接的接口。编程人员只要调用 3D 图形库中 的 API(Application Programming Interface)函数，从而与硬件的驱动程序沟通，启动 3D 芯片内强大的 3D 图形处理功能，制作具有 3D 图形效果的软件。 3D 图形库的执行具有非常快速的特点，并且具有高度的可移植性，其中的 API 函数定义为独立于任何程序设计语言的一组规范，在特定语言中的实现描述由国际 标准化组织来制定。严格按照计算机图形学原理设计而成，符合光学和视觉原理，编 程人员只要用这些 API 函数定义点、线、面的三维特征，如位置坐标、顶点颜色、法向 向量、纹理坐标等就可以创建极其逼真的 3D 图像。许多三维演示系统都用 3D 图形 库作为三维图形生成和控制的编程接口。目前主要应用的 3D 函数库有 DirectX 和 OpenGL。 DirectX：微软公司专为 PC 游戏开发的 API，与 Windows 操作系统兼容性好，可 绕过图形显示接口（GDI）直接进行支持该 API 的各种硬件的底层操作，大大提高了游 戏的运行速度，而且目前基本上是免费使用的。由于要考虑与各方面的兼容性， DirectX 用起来比较麻烦、在执行效率上也未见得最优。 OpenGL：(开放式图形接口)由 Silicon Graphics 公司开发，能够在 Windows 95、Windows NT、Macos、Beos、OS/2、以及 Unix 上应用的 API。由于 OpenGL 起步较 早，一直用于高档图形工作站，其 3D 图形功能很强，超过 DirectX，能最大限度地发 挥 3D 芯片的巨大潜力。在 Windows 中已经全面支持 DirectX 和 OpenGL。在 OpenGL 的 1.2 版中还增加了对 3DNow!标准的支持。 2. 3D 图形库的渲染管线 绝大多数 3D 图形库实现都有相似操作顺序，一系列相关的处理阶段叫做 3D 图 形的渲染管线，如图 2-1 显示了这些顺序，它是 3D 图形库处理数据的方法3。 图 2-1 3D 图形库渲染管线 下面详细介绍其中几个比较重要的阶段： 基于顶点的操作与基本装配：这个过程包括本地空间-世界空间-视图空间-背面拣 选，主要是根据编程人员设置的摄像机位置、视锥属性和顶点索引对顶点数据进行一 系列的数学运算，使 3D 图形的形状及位置得以正确显示。 像素操作：该过程主要根据编程人员传入显卡的纹理及顶点的纹理坐标以及光照 信息进行颜色计算、混合，并对线、面采用线性插值、二次线性插值等算法最终进行 出像素的颜色。这个过程的计算一般由显卡固定管线的计算公式完成，如想得到更真 实、更多样的效果，可采用可编程管线技术实现。 3. 3D 程序基本工作流程 前面提到了调用 3D 图形库中的 API 函数来设计 3D 应用程序，现在更为详细的 介绍这样的应用程序的一般工作流程，如图 2-2 所示： act sequence main() ApplicationInitial()ApplicationUpdate() ApplicationDestory() ObjectInitial() ObjectUpdate() ObjectDestory() Loop for all renderObject for all renderObject for all renderObject 图 2-2 3D 图形库渲染管线 在程序主入口 main 函数中，首先调用 ApplicationInitial 函数进 3D 图形库的一些 初始化工作：如通知显卡存储顶点、颜色、灯光、纹理等信息，接下来进入主循环不断 调用 ApplicationUpdate 函数，ApplicationUpdate 调用每一个渲染物体的 ObjectUpdate 函数，更新其在显存中的信息，并通知显存进行一次渲染管线流动，这样新的一帧 3D 图形就被渲染出来并产生动画。最后在应用程序结束时调用 ApplicationDestory 来进 行清理工作。当然，复杂的 3D 应用框架还会利用多线程技术来处理逻辑运算和事件 回调等内容。 一一一 物理引擎 1. 物理引擎简介 在游戏这项综合应用中中，除了华丽的画面渲染外，作为表现虚拟世界系统内在 物理规律的计算是必不可少的。当被模拟的刚体的运动比较简单，我们可以在一定程 度上通过编程或编写脚本来实现，如简单的加速和减速牛顿物理运动。但当模拟比较 复杂的物体的碰撞、滚动、滑动或者弹跳的时候，通过编写底层算法会造成工程延误， 这显然不符合软件工程的思想。成熟的物理引擎能够允许更复杂的物理模拟，像球形 关节、轮子、气缸或者铰链，有些也支持非刚性体的物理属性，比如流体和布料。 物理引擎接受的输入是由外界调用模块传递过来的场景信息以及场景中物体的 位置信息。根据调用模块的不同，可能输出三种计算结果：场景与物体以及物体之间 是否发生碰撞、碰撞发生的具体位置以及发生碰撞后物体的具体位置，并将计算结果 传送给调用模块。如图 2-3 所示： 图 2-3 物理引擎功能示意图 2. 物理引擎基本架构4 物理引擎一般分为两个重要部分，即碰撞检测和物理学世界。如图 2-4 所示： 图 2-4 物理引擎基本架构 碰撞检测模块是物理引擎的核心模块，建立在物理学世界的基础上的5。其由初 步碰撞检测、精确碰撞检测和精确求交三个基本模块组成，各模块的执行顺序如图 2- 5 所示： 图 2-5 碰撞检测模块流程图 在初始化阶段，碰撞检测模块给虚拟世界每个物体建立包围盒，比较常用的包围 盒算法有 AABB(Axis-aligned bounding box)、包围球、胶囊体等。逐步求精阶段将整 个虚拟世界进行空间划分，主要用到数据结构有八叉树、k-d 树和 BSP 树等，通过自 顶向下的层次结构不断判断物体是否可能发生碰撞。最后再精确求交模块中使用凸 体算法和射线检测算法得到精确的碰撞信息6。 物理学世界模块，是现实世界的抽象模型。物理学世界包含两个部分，一个是刚 体物理学世界，一个是柔体物理学世界。在力的作用下，体积和形状都不发生改变的 物体称作刚体。刚体按照其运动特征可以分为平动、定轴转动、平面运动、定点运动 和一般运动等形式。在一般情况下，运动刚体上各点的轨迹、速度和加速度是各不相 同的，但彼此之间存在着一定的关系。体积和形状在力的作用下能够发生变化的物体 称作柔体，如流体、布料等。因此，物理学世界的模块结构如图 2-6 所示。 图 2-6 物理学世界模块结构图 3. Havok 和 PhysX 的比较 物理引擎中需要大量的计算，并且不同物理引擎针对特定显卡有 3D 加速功能， 因此，开发 3D 游戏前选择一款合适的物理引擎是及其重要的，否则会极大影响游戏 的性能。目前 在游戏市场占重要地位的有 Intel 的 Havok 和 Nvidia 的 PhysX。 Havok，全称为 Havok Game Dynamics SDK，译作 Havok 游戏动力开发包，主要 分为 Physics、FX、Animation、Behavior、Cloth、Destruction、AI 几大组件。Havok 成立 于 1998 年，总部位于爱尔兰首都都柏林。引擎基于 C/C+语言而成，2000 年在游戏 开发者大会上发布了 Havok 1.0，最新版本为 5.5，2007 年 9 月，Intel 宣布收购 Havok。在全平台上，共有 353 种游戏使用 Havok 引擎，超过了 PhysX 的 309 种，使 用 Havok 的著名游戏有：极品飞车：亡命天涯、 星际争霸 2、 暗黑破坏神 3、 上古 卷轴 4等，图为 Havok 的展示 Demo： 图 2-7 Havok 引擎展示（左为 Havok Physics，右为 Havok Cloth） PhysX 物理运算引擎由五名年轻的技术人员开发，他们成立了 AGEIA 公司。由 于 PhysX 物理引擎在设计上就并不适合用 CPU 去计算，因此 AGEIA 公司还为 PhysX 引擎设计了专门的运算硬件，PhysX 物理加速卡，其中的运算核心被称为 PPU(Physics processing Unit)。图 2-8 为 AGEIA 当初设想的未来 PC 组成部分。 图 2-8 AGEIA 当初设想的未来 PC 组成部分 2008 年，Nvdia 收购了 AGEIA，物理加速卡停止开发，而是将 PhysX 物理加速功能移 植到 Nvdia GPU 中，用户不必额外购买 PhysX 物理加速卡就能享受到 PhysX 物理加 速功能。在 PC 平台上，共有 269 种游戏采用 PhysX 引擎，而 Havok 为 163 种。 表 41 Havok 和 PhysX 在各方面的比较 物理引擎：HavokPhysX 物理加速 多线程加速 只支持 Nvdia GPU 加速 执行效率 快 不开启 GPU 加速下略逊一筹 跨平台性全平台全平台 是否开源是否 游戏引擎集成 寒霜Unity3D 主要游戏平台 Wii、Xbox 360、PS3PC 一一一 Unity3D 1. Unity3D 简介 Unity3D 是由 Unity Technologies 开发的一款全面整合的专业游戏引擎，其具有的 功能使得开发人员可专注于游戏的设计而忽略底层的技术实现，达到快速开发的目 的。Unity 类似于 Director,Blender game engine, Virtools 或 Torque Game Builder 等利 用交互的图型化开发环境为首要方式的软件其编辑器运行在 Windows 和 Mac OS X 下。其主要的特色有7： 图形动力：内部封装了 DirectX 和 OpenGL 图形渲染库，并附带一些常用的渲染 组件及着色器脚本。 物理仿真：Unity3d 不但整合了 Nvidia PhysX 物理引擎，并在其基础上封装了游戏 中常会用到的物理组件，如碰撞体、连接体等。 跨平台性：可发布游戏至 Windows、Mac、iOS、Android、Xbox、Wii 或 PS3 平台， 也可以利用 Unity web player 或者 Flash 插件发布网页游戏，支持 Mac 和 Windows 的 网页浏览。 资源商城：开发人员可在资源商城中购买其他人开发的资源（代码、模型等），进行 高效复用。 资源服务器：Unity 资源服务器是一个附加的版本控制的产品，但比起 SVN 更适 合游戏团队中不同职位的人员共同使用（程序、策划、美术）。 性能分析器：引擎中自带一个 Profiler 分析器，开发人员可在编辑器或者设备连线 进行性能分析 CPU 和 GPU 不同阶段的效率。 2. Unity3D 基本概念 一个完整的 lJnity3d 程序是由若干个场景（Scene)组合起来的，每个场景中又包含 有许多游戏对象（GameObject），每个对象可以具有若干组件（Component），其中的继 承自 MonoBehavior 的脚本组件进行初始化、更新等操作，而我们在场景所看到的内 容是由摄像头（Camera)来呈现并控制的。 场景（Scene)：场景是 Unity3D 程序的基本组成单位，任何一个 Unity3D 程序都是 由若干场景组合而成，程序通过脚本在这些场景之间跳转。场景通过场景图的形式组 织，场景图实际上是一种树形结构，其中每个节点就是一个游戏对象。对象与对象之 间存在父子关系，即当父级对象移动、旋转、缩放时，子级对象也跟着一起变换8，如 图 2-9 所示： 图 2-9 旋转一个父节点同时它的子节点也跟着旋转 游戏对象（GameObject)：在场景中按照场景图形式组织，场景图实际上是一种树 形结构，如图。树形层次结构中的节点，加入的特定组件后就成了有实际功能的对象， 如可渲染网格、摄像机、光源等，游戏对象可以打包成.prefab 格式的文件方便复用。 组件（Component）：组件可以是网格（Mesh）、光源（Light）、摄像机（Camera）、粒子 系统（Particle）、物理碰撞体（Collider）、布料（Cloth）、连接体（Joint）、声音（Audio）、动 画（Animation）以及最重要的脚本（Script）。Unity3D 的设计是以面向对象理论为基础， Unity3D 支持 C#、JavaScript 和 Boo 三种脚本语言，如果对象继承自 MonoBehavior 脚本对象，生命周期将交给 Unity3D 来管理，如图 2-10 所示： 图 2-10 MonoBehavior 的生命周期 三、车辆驾驶游戏的设计 一一一 游戏创意 随着移动硬件设备的日益强大，并且移动平台技术在这几年得到迅猛发展，移动 平台上的游戏也出现了惊人的增长，轻量级、微创新、时间碎片化一直是移动游戏的 发展趋势。 愤怒的小鸟、 顽皮鳄鱼爱洗澡等几款创意游戏都得到了巨大的成功，这 些游戏的共同特点有： 1.操作简单，游戏目的简单。不论是高级游戏玩家还是不常玩游戏的用户群，很容 易知道如何操作并理解游戏的目的。如愤怒的小鸟只需一只手指调整弹弓的角度 和力度最终将猪击飞， 顽皮鳄鱼爱洗澡只要用手指刮开泥土将水引导进鳄鱼的浴缸； 2.真实的物理规律。游戏中充分考虑到现实生活中的物理规律，如愤怒的小鸟 中飞行的速度、重力的考虑， 顽皮鳄鱼爱洗澡中水流的流体走向； 3.多样化的设计。别出心裁的设计不仅使玩家产生兴趣继续挑战，也会更加开动 玩家的脑筋。如愤怒的小鸟中小鸟不同的技能、会荡秋千的猪、冰雪的场景和会引 燃的炸药， 顽皮鳄鱼爱洗澡中清水、污水、泥石流产生的不同效果，以及风扇、喷枪 的设计等； 图 3-1 左为愤怒的小鸟游戏截图，右为顽皮鳄鱼爱洗澡游戏截图 笔者按照这些思路产生了将游乐场中“碰碰车”这一游乐项目搬上有游戏的想法， 游戏同样遵从以上三个特点，下面是简单的游戏策划： 游戏名称：疯狂碰碰车 游戏类型：3D 休闲益智类游戏 游戏平台：PC、Android、iOS 游戏模式：多人联机模式，单人 AI 练习模式 游戏玩法：玩家通过操作车辆，在竞技场中与其他玩家操作的车辆进行娱乐，玩家 应该尽量操作车辆的前部去撞其他车辆的背部，这样可以抢夺对方的游戏积分，同样 的，应该通过躲避尽量避免自己的背部遭到袭击。达到游戏时间后进行积分结算，确 定本场游戏排名。 游戏操作：前、后、左、右，在移动设备上可映射为重力感应和滑动操作。 游戏可玩性：1.多样的车辆，不同车辆具有不同的外形、速度以及技能等属性，如 加速快的豪华跑车、碰撞效果惊人的火车头等，玩家通过胜过获得游戏币来购买梦寐 以求的车辆；2.多样的地形，可以绘制不同地域风情的竞技场，并且不同的竞技场应该 有不同的物理属性增加车辆驾驶趣味，如冰川、泥泞的森林，以及适合车辆躲避的树、 草、坡度等布置；3.真实的物理仿真，如前两个特性所列，不同的设计会带来丰富的物 理仿真效果。 一一一 游戏框架结构设计 如前文所述，一个游戏包含多个场景，玩家根据当前的游戏进度和选项进入不同 场景。而游戏模块为游戏提供了一些必须用到的功能，这些功能，都是完全独立与所 有的场景存在的，它们并不知道到底有多少关卡，关卡的内容是什么，它们的主要工 作，就是与游戏的控制单元进行信息的交换，从而支持游戏的进行。 游戏框架设计必须符合游戏的玩法需求和所使用的工具，不同于大型的 MMO(Massive Multiplayer On-Line) Game， 疯狂碰碰车没有复杂的游戏系统，更加侧 重于游戏可玩性的设计，并且由于使用 Unity3D 引擎，省去了许多底层模块的设计， 其中核心的模块为：图形渲染、物理仿真、网络联机。图 3-2 为游戏系统的框架结构图： 、 、 、 、 、 、 、 、 、 Unity Mono、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 3D、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 图 3-2 游戏框架结构 一一一 游戏层次结构设计 前文提到 Unity3D 中每个场景按照树形层次结构组织游戏对象，并且每个游戏对 象可以拥有若干组件。所以整个游戏系统的实现必须遵守这种规范，在这种规范下为 了符合软件设计的高内聚、低耦合的原则，使用 MVC 模型设计了一套游戏的层次结 构，这样的好处是使游戏的结构清晰简单，三层之间互相隔离、互不影响，日后功能 的扩展方便。如图 3-3 所示： cmp sequence 制 制 制 制 制 制 MainCameraGameObject2GameObject3 Hierarchy: Component1Component2Component3Component4Component5Component: 制 制 制 NetworkManagerUIManagerComponent: use 图 3-3 游戏层次结构图 游戏系统分为三个层来设计，分别是： 视图层：主要为加入到场景层次结构的游戏对象，这些对象常常是渲染对象或摄 像机。 控制层：在主摄像机或者空对象中加入的管理脚本组件，这些脚本主要是针对对 应的功能模块的进行控制及与其他功能模块进行通信，如界面管理类、网络联机管理 类。 模型层：主要是在渲染对象中加入的逻辑脚本组件，这些脚本对游戏对象进行逻 辑处理。 四、车辆驾驶游戏的实现 一一一 场景渲染实现 考虑到游戏的需求，整个场景主要包括几类渲染对象，如天空盒、水面、地形、外 部导入的 3D 模型、投影、粒子系统等，如图 4-1 所示： 、 、 、 、 、 、 、 、 、3D、 、 、 、 、 、 图 4-1 游戏场景中的渲染对象 下面主要介绍一些重要渲染模块的具体实现： 1. 天空盒 所谓天空盒，就是用一个作为远景贴图的立方体。在立方体的前后左右上五个面 贴上纹理（需要时底面也可以帖）。在简单的天空盒实现中，只需要填写好六个面的 24 个顶点，并设置立方体随着视点的移动而移动，这样就会给玩家带来天空是在极远处 的错觉。但在较为复杂的应用中，还需要使用天空盒的纹理来生成 Cube Map，并用之 来做水面倒影、云影等特效的贴图。 图 4-2 天空盒由六个面映射而成 在 Unity3D 中对天空盒有很好的支持，开发人员只需要几个简单的步骤： 1.创建一个材质； 2.并设置 Shader 为 Unity3D 自带的 RenderFX-Skybox； 3.为天空的各个面选择贴图； 4.在 Render Setting 中设置天空材质为前面创建的材质。 图 4-3 为实现的效果图： 图 4-3 实现的天空效果 2. 水面 水面的本质即按照流体规律动态更新顶点位置的网格，Unity3D 中的自带有水的 对象，但为了使得水面具有更真实的表现力，还要为水面加入反射、折射等效果，这 些效果主要是通过渲染到纹理（Render-to-Texture，RTT）来实现。渲染到纹理，简单来 说就是把当前场景的一部分或者全部渲染成一个可以使用的纹理上面，然后再另外 一次渲染中把它当作普通的纹理使用。 光穿过水面，但被水面改变传播方向又返回水面之上叫做反射。如图 4-4 所示，向 量 I 被称为入射光线（incident ray），从眼睛射到物体表面，当 I 到达表面的时候，它会 根据表面的法向量 N 被从 R 方向反射出去，第二条光线是被反射光线（reflected ray）， 所以可以根据向量 I 和 N 用公式 4-1 计算被反射的向量 R： 图 4-4 光线反射图 公式 4-1 折射与反射不同的是，光线虽然改变角度但依然进入水面，斯涅耳定律描述了两 种媒介之间的分界面光发生了什么，如图 4-5 所示，折射向量被表示为 T，代表 “transmitted”。斯涅耳定律在数学上可以用公式 4-2 表示。 图 4-5 斯涅耳折射定律 公式 4-2 具体代码实现中，我们以折射为例，我们首先将要被折射的物体加入到一个层 m_RefractLatyer 中，然后设置一个摄像机用于渲染这个层上的所有物体，得到纹理 _RefractionTex 并传给 shader，然后在水面进行纹理混合计算。以下为实现折射效果 的关键代码和水面效果截图： 代码清单 4-6 折射 RTT 关键代码 图 4-7 带有折射、反射的水面效果 3. 地形9 在 Unity3D 中通过高度图来实现地形，高度图实际上是一张矩形的灰度图，在灰 度模式中，颜色通过 0255 来表示，0 代表黑色，255 代表白色，像素越亮代表地势越 高，255 的像素代表此次顶点最高，反之亦然，所以像素灰度值和顶点的高度可以用 公式 4-3 表示，其中 L 为像素的灰度值，、分别为 Unity3D 中定义的地形高 度和地形最低点，求得网格顶点的高度 y。 公式 4-3 = 255 + 程序在需要渲染地形时通过读取这张图片，并按照灰度生成顶点高度不一的矩形 网格。这样大大减少了游戏模型体积。 Unity3D 中的地形模块不但可以导入高度图，还可以用笔刷为绘制地形纹理、树、 草和岩石，所见即所得，大大减少了开发人员的工作量。图 4-8 为小岛的效果图： 图 4-8 小岛地形效果图 4. 光照和投影 在一般 3D 应用程序中，光照和投影是各自独立的计算过程，光照既可以使用固 定管线、也可以再 Shader 自定光照模型实现。投影则是一个双过程的技术10： 1.首先，场景以光源的位置为视点被渲染。每个渲染图像的像素的深度值被记录 在一个“深度纹理”中，被称为阴影贴图。 2.然后，场景从眼睛的位置渲染，但是用标准的投影纹理把阴影贴图从灯的位置 通过投影矩阵运算混合到场景中。在每个像素，深度采样值（从被投影的深度纹理中） 与片段到灯的距离进行比较。如果后者小，这意味着这个片段不是阴影，不需要和投 影纹理进行混合。 图 4-9 举例说明了阴影的深度比较。在图的左边，正要被着色的点 P 在阴影中， 因为这个点的深度值（ZB）比记录的阴影贴图的深度值（ZA）大。相反，在图的右边显示 了点 P 的深度值与在阴影贴图中记录的值相同的情况。这意味着在在 P 和灯源之间 没有任何物体，因此 P 不再阴影中。 图 4-9 投影的深度比较 对于静态物体的投影渲染的第一过程计算，可以在游戏开发过程中进行。Unity 内 置的光照贴图烘培工具是 Illuminate Labs 的 Beast，其主要原理是对场景中所有静态 物体的光照和投影进行计算，并利用特殊的.exr 光照贴图格式用以记录光照和投影两 种信息，在游戏运行时用光照贴图对模型原有材质进行混合渲染，即可得到正确的光 照和投影效果。这样大大减少了游戏运行过程中计算量，提高游戏效率。如图 4-10 所 示，进行一些参数设置（实际上是设置光照模型和投影过程二的阴影纹理），选择 “Bake Scene”即可为场景生成光照贴图。 图 4-10 光照贴图烘焙窗口 一一一 场景物理仿真实现 如前文提到，Unity3D 内置对 Nvidia PhysX 支持，其实际工作就是封装了一些游 戏中常用的组件以及脚本中调用的类，只要将这些碰撞体组件赋予游戏对象，就被加 入 PhysX 虚拟世界进行运算。下面主要介绍常用组件： 刚体（Rigid）：在 PhysX 的基本概念中，两个碰撞体发生碰撞必须要求其中至少有 一个刚体。所以对运动的物体要赋予刚体属性，刚体可设置质量、重力计算、碰撞检 测频率等属性。 网格碰撞体（Mesh Collider）：根据游戏玩法，玩家通过车身前部撞击其他车的后 部进行游戏，在车身前部和后部各加入一个网格碰撞体，网格碰撞体可通过网格数据 定义凸体形状，比起基本碰撞体更加精确。 地形碰撞体（Terrain Collider）：通过地形模块生成的地形可以选择加入地形碰撞 体，就这样就可以不需要定义网格数据来定义网格碰撞体，其本质就是根据高度图生 成的网格碰撞体。 轮胎碰撞体（Wheel Collider）：汽车经常在陡峭的地形上行走，如果将轮胎定义为 一般碰撞体则容易造成碰撞而导致车身飞起，轮胎碰撞体具有阻尼弹性和摩擦力的 属性，不同