喵的Unity游戏开发之路 - 在球体上行走

        很多童鞋没有系统的Unity3D游戏开发基础，也不知道从何开始学。为此我们精选了一套国外优秀的Unity3D游戏开发教程，翻译整理后放送给大家，教您从零开始一步一步掌握Unity3D游戏开发。 本文不是广告，不是推广，是免费的纯干货！本文全名：喵的Unity游戏开发之路 - 移动 - 自定义重力 - 在球体上行走

自定义重力

支持任意重力。

使用可变的上轴。

将所有内容拉到一个点。

将自定义重力应用于任意物体。

这是有关控制角色移动的教程系列的第五部分。它涵盖了使用自定义方法替换标准重力的方法，通过该方法，我们支持在球体上行走。

本教程使用Unity 2019.2.21f1制作。它还使用ProBuilder软件包。

效果之一

探索一个小小的星球。

可变重力

到目前为止，我们一直使用固定的重力矢量：垂直往下9.81。这对于大多数游戏而言已足够，但并非全部。例如，目前无法在代表行星的球体表面上行走。因此，我们将添加对自定义重力的支持，而不必统一。

在变得复杂之前，让我们开始简单地翻转重力，并通过项目设置使重力矢量的Y分量为正，看看会发生什么。这有效地将其变成反重力，这应该使我们的球体向上掉落。

事实证明，我们的球体确实向上飞行，但最初紧贴地面。那是因为我们正在将其吸附到地面，并且我们的代码假定法向重力。我们必须对其进行更改，以便它可以与任何重力矢量一起使用。

向上轴（Up Axis）

我们依靠向上轴始终等于Y轴。为了放开这个假设，我们必须向MovingSphere添加一个上轴字段，并使用该字段。为了支持随时变化的重力，我们必须在FixedUpdate的起点设置上轴。它指向与重力相反的方向，因此它等于取反后的归一化重力矢量。

Vector3 upAxis;
  …
  void FixedUpdate () {    upAxis = -Physics.gravity.normalized;    …  }

现在我们必须用新的上轴替换所有的Vector3.up用法。首先，在UpdateState中，当球体处于空中时，我们将其用作接触法线。

  void UpdateState () {    …    else {      contactNormal =upAxis;    }  }

其次，在Jump中偏向跳跃方向时。

  void Jump () {    …    jumpDirection = (jumpDirection +upAxis).normalized;    …  }

而且，我们还必须调整如何确定跳跃速度。这个想法是我们抵消重力。我们使用的是重力Y分量的-2倍，但这不再起作用。相反，我们必须使用重力矢量的大小，而不管其方向如何。这意味着我们也必须删除减号。

    float jumpSpeed = Mathf.Sqrt(2f* Physics.gravity.magnitude*jumpHeight); 

最后，在SnapToGround中探查地面时，我们必须用负的上轴代替Vector3.down。

  bool SnapToGround () {    …    if (!Physics.Raycast(      body.position,-upAxis, out RaycastHit hit,      probeDistance, probeMask    )) {      return false;    }    …  }

点积

当我们需要点积时，我们也不能再直接使用法向向量的Y分量。我们必须使用上轴和法线向量作为参数来调用Vector3.Dot。首先在SnapToGround中，检查我们是否发现地面。

float upDot = Vector3.Dot(upAxis, hit.normal);    if (upDot< GetMinDot(hit.collider.gameObject.layer)) {      return false;    }

然后在CheckSteepContacts中看看我们是否陷入了缝隙中。

  bool CheckSteepContacts () {    if (steepContactCount > 1) {      steepNormal.Normalize();      float upDot = Vector3.Dot(upAxis, steepNormal);      if (upDot>= minGroundDotProduct) {        …      }    }    return false;  }

并在EvaluateCollision中检查我们有什么样的连接方式。

  void EvaluateCollision (Collision collision) {    float minDot = GetMinDot(collision.gameObject.layer);    for (int i = 0; i < collision.contactCount; i++) {      Vector3 normal = collision.GetContact(i).normal;      float upDot = Vector3.Dot(upAxis, normal);      if (upDot>= minDot) {        groundContactCount += 1;        contactNormal += normal;      }      else if (upDot> -0.01f) {        steepContactCount += 1;        steepNormal += normal;      }    }  }

现在，无论朝哪个方向，我们的球体都可以移动。在播放模式下也可以更改重力方向，它将立即适应新情况。

相对控制

但是，尽管将重力倒置完全没有问题，但任何其他方向都会使球体的控制更加困难。例如，当重力与X轴对齐时，我们只能控制沿Z轴的移动。沿Y轴的运动是我们无法控制的，只有重力和碰撞会影响它。由于我们仍然在世界空间XZ平面中定义控件，因此消除了输入的X轴。我们必须在重力对齐的平面中定义所需的速度。

重力可以改变，我们也必须为右轴和前轴添加字段让它们变为相对。

  Vector3 upAxis, rightAxis, forwardAxis;

我们需要项目方向在平面上做这项工作,所以让我们把ProjectOnContactPlane换成一个更一般的方法ProjectDirectionOnPlane,适用于任意正常和正常化还执行。

  //Vector3 ProjectOnContactPlane (Vector3 vector) {  //  return vector - contactNormal * Vector3.Dot(vector, contactNormal);  //}
  Vector3 ProjectDirectionOnPlane (Vector3 direction, Vector3 normal) {    return (direction - normal * Vector3.Dot(direction, normal)).normalized;  }

用这种新方法在AdjustVelocity中确定X和Z控制轴,给它提供轴和法线变量。

  void AdjustVelocity () {    Vector3 xAxis =ProjectDirectionOnPlane(rightAxis, contactNormal);    Vector3 zAxis =ProjectDirectionOnPlane(forwardAxis, contactNormal);
    …  }

重力相对轴在Update中派生。如果一个玩家输入空间存在，我们在重力平面上设置它的右轴和前轴以找到重力对齐的X和Z轴。否则我们赋值为世界坐标轴。现在所需的速度是相对于定义这些轴,所以不需要将输入向量转换为一个不同的空间。

  void Update () {    …        if (playerInputSpace) {      rightAxis = ProjectDirectionOnPlane(playerInputSpace.right, upAxis);      forwardAxis =        ProjectDirectionOnPlane(playerInputSpace.forward, upAxis);    }    else {      rightAxis = ProjectDirectionOnPlane(Vector3.right, upAxis);      forwardAxis = ProjectDirectionOnPlane(Vector3.forward, upAxis);    }    desiredVelocity =      new Vector3(playerInput.x, 0f, playerInput.y) * maxSpeed;    //}        desiredJump |= Input.GetButtonDown("Jump");  }

这仍然不能解决控制轴与重力对齐时被消除的问题，但是当使用轨道摄像机时，我们可以对其进行定向，以便重新获得完全控制权。

对准轨道摄像机

轨道摄像头仍然很笨拙，因为它始终将世界Y轴用作其向上方向。因此，当向上或向下看时，我们仍然可以消除控制轴。理想情况下，轨道摄像机将自身与重力对准，这既直观又确保相对运动始终如预期那样起作用。

我们使用轨道角度来控制相机的轨道并对其进行约束，以使其不会太高或太低。无论采用哪种方式，我们都希望保留此功能。这可以通过应用第二次旋转来完成，该旋转使轨道旋转与重力对齐。为此给 OrbitCamera 添加一个Quaternion gravityAlignment字段，并使用身份轮换进行初始化。

Quaternion gravityAlignment = Quaternion.identity;

LateUpdate调整开始时，它与当前的向上方向保持同步。为了使轨道在需要调整时不会发生不规则的变化，我们必须使用从当前路线到新路线的最小旋转。可以通过Quaternion.FromRotation找到最小旋转，这会产生从一个方向到另一个方向的旋转。我们的原因是从最后对齐的向上方向到当前的向上方向。然后，将其与当前对齐方式相乘，最后得到新的对齐方式。

  void LateUpdate () {    gravityAlignment =      Quaternion.FromToRotation(        gravityAlignment * Vector3.up, -Physics.gravity.normalized      ) * gravityAlignment;        …  }

轨道旋转逻辑必须保持不知道重力对准。为此，请添加一个字段以单独跟踪轨道旋转。该四元数包含轨道角度旋转，应在Awake中初始化，并将其设置为与初始摄像机旋转相同的值。我们可以为此使用链接分配。

Quaternion orbitRotation;    …    void Awake () {    …    transform.localRotation =orbitRotation =Quaternion.Euler(orbitAngles);  }

仅在手动或自动旋转时才需要在LateUpdate中更改。外观旋转然后变为重力路线乘以轨道旋转。

  void LateUpdate () {    …    //Quaternion lookRotation;    if (ManualRotation() || AutomaticRotation()) {      ConstrainAngles();      orbitRotation= Quaternion.Euler(orbitAngles);    }    //else {    //  lookRotation = transform.localRotation;    //}    Quaternion lookRotation = gravityAlignment * orbitRotation;
    …  }

这在手动调整轨道时有效，但是AutomaticRotation失败了，因为它仅在重力指向下方时才有效。我们可以通过在确定正确的角度之前取消重力对齐来解决此问题。这是通过将反重力比对应用于运动增量来完成的，我们可以通过该方法Quaternion.Inverse获得。

    Vector3 alignedDelta =      Quaternion.Inverse(gravityAlignment) *      (focusPoint - previousFocusPoint);    Vector2 movement = new Vector2(alignedDelta.x,alignedDelta.z);          

球形重力

我们支持任意重力，但仍然限于统一矢量Physics.gravity。如果我们想支撑球形重力并在行星上行走，那么我们必须提出一个定制的重力解决方案。

自定义重力

在本教程中，我们将使用非常简单的方法。给定在世界空间中的位置，并使用可返回重力矢量CustomGravity的公共方法GetGravity创建静态类。最初，我们将返回未修改的内容Physics.gravity。

using UnityEngine;
public static class CustomGravity {
  public static Vector3 GetGravity (Vector3 position) {    return Physics.gravity;  }}

当我们使用重力来确定球面和轨道摄像机的上轴时，我们还要添加一个方便的GetUpAxis方法，再次使用位置参数。

public static Vector3 GetUpAxis (Vector3 position) {    return -Physics.gravity.normalized;  }

我们可以走得更远，并包括一种可以一举两得的变型方法GetGravity。让我们通过添加向上轴的输出参数来实现。我们通过out在参数定义的前面编写来标记它。

public static Vector3 GetGravity (Vector3 position, out Vector3 upAxis) {    upAxis = -Physics.gravity.normalized;    return Physics.gravity;  }

输出参数如何工作？

它的工作方式类似于Physics.Raycast，它返回是否有人命中并将相关数据放入RaycastHit作为输出参数提供的结构中。

该out关键字告诉我们，方法负责正确设置参数，取代先前的值。不为其分配值将产生编译器错误。

在这种情况下，其基本原理是GetGravity的主要目的是返回重力矢量，但您也可以通过输出参数同时获得关联的上轴。

应用自定义重力

从现在开始，我们可以依靠CustomGravity.GetUpAxis在OrbitCamera.LateUpdate执行重力对准。我们将基于当前焦点进行此操作。

    gravityAlignment =      Quaternion.FromToRotation(        gravityAlignment * Vector3.up,        CustomGravity.GetUpAxis(focusPoint)      ) * gravityAlignment;

并且在MovingSphere.FixedUpdate中我们可以使用CustomGravity.GetGravity基于body的位置来获取重力和上轴。我们必须自己施加引力，只需将其添加到最终速度作为加速度即可。另外，让我们将重力向量传递给Jump。

  void FixedUpdate () {    //upAxis = -Physics.gravity.normalized;    Vector3 gravity = CustomGravity.GetGravity(body.position, out upAxis);    UpdateState();    AdjustVelocity();
    if (desiredJump) {      desiredJump = false;      Jump(gravity);    }
    velocity += gravity * Time.deltaTime;
    body.velocity = velocity;    ClearState();  }

这样，我们可以在需要时计算重力的大小，而不必再次为我们的位置确定重力。

  void Jump (Vector3 gravity) {    …    float jumpSpeed = Mathf.Sqrt(2f *gravity.magnitude * jumpHeight);    …  }

而且由于我们使用的是自定义重力，因此必须确保标准重力不会应用到球体上。我们可以通过将body的isGravity属性设置为false 来强制执行此操作Awake。

  void Awake () {    body = GetComponent();    body.useGravity = false;    OnValidate();  }

走向原点

尽管我们已切换到自定义重力方法，但所有操作仍应相同。更改Unity的引力矢量会像以前一样影响所有事物。为了使重力变为球形，我们必须进行一些更改。我们将使其保持简单，并使用世界原点作为重力源的中心。因此，上轴只是指向位置的方向。相应地调整CustomGravity.GetUpAxis。

  public static Vector3 GetUpAxis (Vector3 position) {    returnposition.normalized;  }

真实重力随距离而变化。您越远，受到的影响就越小。但是，我们将使用Unity重力矢量的已配置Y分量保持其强度不变。因此，我们可以按比例放大向上轴。

  public static Vector3 GetGravity (Vector3 position) {    returnposition.normalized * Physics.gravity.y;  }    public static Vector3 GetGravity (Vector3 position, out Vector3 upAxis) {    upAxis =position.normalized;    returnupAxis * Physics.gravity.y;  }

这就是使简单的球形重力工作所需要的全部。

请注意，在小行星上行走和跳跃时，有可能最终陷于围绕它的轨道中。您正在跌倒，但是向前的动量使您像卫星一样掉落在表面上，而不是朝表面倾斜。

可以通过增加重力或行星半径，允许空气加速或通过引入使您减速的阻力来缓解这种情况。

推开

我们不必局限于现实情况。通过使重力为正，我们最终将球体推离原点，从而可以沿球体内部移动。但是，在这种情况下，我们必须翻转上轴。

  public static Vector3 GetGravity (Vector3 position, out Vector3 upAxis) {    Vector3 up = position.normalized;    upAxis =Physics.gravity.y < 0f ? up : -up;    returnup* Physics.gravity.y;  }    public static Vector3 GetUpAxis (Vector3 position) {    Vector3 up = position.normalized;    returnPhysics.gravity.y < 0f ? up : -up;  }

其他机构

我们的球面和轨道摄像头可以使用自定义重力，但是其他一切仍然依赖于默认重力才能下降。为了使具有对象的任意对象Rigidbody落入原点，我们还必须对它们应用自定义重力。

专门的刚体组件

我们可以扩展现有Rigidbody组件以添加自定义重力，但是这将使得难以隐藏已经配置了Rigidbody的对象。因此，我们将创建一个新的CustomGravityRigidbody组件类型，它需要一个主体，并在其唤醒时检索对它的引用。它还会禁用常规重力。

using UnityEngine;
[RequireComponent(typeof(Rigidbody))]public class CustomGravityRigidbody : MonoBehaviour {
  Rigidbody body;
  void Awake () {    body = GetComponent();    body.useGravity = false;  }}

要使物体落入原点，我们要做的就是在FixedUpdate其上调用AddForce，并根据其位置将其自定义重力传递给它。

void FixedUpdate () {    body.AddForce(CustomGravity.GetGravity(body.position));  }

但是重力是一种加速度，因此添加ForceMode.Acceleration第二个参数。

    body.AddForce(      CustomGravity.GetGravity(body.position), ForceMode.Acceleration    );

为什么飞行方块会抖动？

发生这种情况的原因与我们的球体抖动一样。当相机也在移动时，对于快速移动的物体尤其明显。如果太明显，则可以使多维数据集插值其位置。也可以添加逻辑以仅在需要时打开插值。

睡眠

每次固定更新时Rigidbody都要自己施加引力的缺点是不再沉睡。PhysX尽可能使body进入睡眠状态，有效地使body处于停滞状态，从而减少了要做的工作量。因此，最好限制我们的自定义重力影响多少个body。

我们可以做的一件事是FixedUpdate，通过调用人体的IsSleeping方法来检查人体在开始时是否处于睡眠状态。如果是这样，它就处于平衡状态，我们不应该打扰它，所以请立即返回。

  void FixedUpdate () {    if (body.IsSleeping()) {      return;    }
    body.AddForce(      CustomGravity.GetGravity(body.position), ForceMode.Acceleration    );  }

但是它永远不会入睡，因为我们对其施加了加速。因此，我们必须首先停止这样做。让我们假设，如果人体的速度很低，它就静止了。我们将使用0.0001阈值作为其速度的平方大小。每秒0.01个单位。它比不施加重力要慢。

  void FixedUpdate () {    if (body.IsSleeping()) {      return;    }
    if (body.velocity.sqrMagnitude < 0.0001f) {      return;    }
    body.AddForce(      CustomGravity.GetGravity(body.position), ForceMode.Acceleration    );  }

那是行不通的，因为尸体开始静止不动，也可能由于种种原因而仍然停留在空中而暂时悬停在适当的位置。因此，让我们添加一个浮动延迟，在此期间我们假定主体处于浮动状态，但可能仍会掉落。除非速度低于阈值，否则它将始终重置为零。在这种情况下，我们要等一秒钟再停止施加重力。如果那还没有足够的时间让body运动，那它应该休息了。

float floatDelay;
  …
  void FixedUpdate () {    if (body.IsSleeping()) {      floatDelay = 0f;      return;    }
    if (body.velocity.sqrMagnitude < 0.0001f) {      floatDelay += Time.deltaTime;      if (floatDelay >= 1f) {        return;      }    }    else {      floatDelay = 0f;    }        body.AddForce(      CustomGravity.GetGravity(body.position), ForceMode.Acceleration    );  }

请注意，我们不强迫body自己入睡。我们将其留给PhysX。这不是支持睡眠的唯一方法，但是对于大多数简单情况而言，这是简单而足够的。

为什么body有时拒绝睡觉？

发生这种情况是因为PhysX不断做出微小的调整，要么变化非常缓慢，要么在两种状态之间振荡。当存在几乎稳定的碰撞状态时，可能会发生这种情况。

保持清醒

我们的方法相当强大，但并不完美。我们做出的一个假设是，重力对于给定位置保持恒定。一旦我们停止施加重力，即使重力突然翻转，物体也会保持原样。在其他情况下，我们的假设也可能失败，例如，当我们漂浮但尚未入睡时，body可能会非常缓慢地移动，或者地板可能会消失。另外，如果body短暂存活，例如暂时的碎屑，我们也不必担心睡觉。因此，让我们可以配置是否允许body漂浮以使其进入睡眠状态。

[SerializeField]  bool floatToSleep = false;
  …
  void FixedUpdate () {    if (floatToSleep) {      …    }        body.AddForce(      CustomGravity.GetGravity(body.position), ForceMode.Acceleration    );  }

下一个教程是“ 复杂重力”。

资源库（Repository）

https://bitbucket.org/catlikecodingunitytutorials/movement-05-custom-gravity/

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原作者：Jasper Flick

原文：

https://catlikecoding.com/unity/tutorials/movement/custom-gravity/

翻译、编辑、整理：MarsZhou

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