作者：Jerish，首發(fā)公眾號“游戲開發(fā)那些事”

“角色移動”是大部分游戲的玩法基礎(chǔ)。不過在游戲中，他看起來如此的簡單自然以至于很容易被玩家所忽略掉。實際上，角色的移動涉及到動畫、渲染、物理、同步等多項開發(fā)技術(shù)以及大量的美術(shù)工作。即使單從設(shè)計上講，“角色移動”也經(jīng)常會給開發(fā)者們帶來一些讓人陷入兩難的問題。總而言之，想將角色移動做到完美確實是相當(dāng)困難的。

虛幻5演示的Demo中有一段爬墻的動畫，想做出這種效果其實是非常不容易的

這篇文章會圍繞3D角色的移動，來談?wù)劄槭裁慈绱嘶A(chǔ)的功能卻需要極高的技術(shù)力與細(xì)節(jié)成本？

一、移動原理與常見問題

之前一篇科普文章中曾講述過“游戲角色移動的基本原理”。

游戲世界與真實世界相同，也是一個三維的空間(2D游戲是二維空間)，我們游戲中的所有角色，都會在這個三維的世界里面出生、移動、交互直至死亡。除了角色以外，游戲中的其他對象也是如此產(chǎn)生的，比如說建筑、武器、道具等等。他們身上都保存著自己的坐標(biāo)位置，當(dāng)我們在移動我們的角色的時，其實就是在不斷的修改當(dāng)前角色的坐標(biāo)值。

所以想讓一個對象在游戲世界中動起來其實很簡單——改變他的位置即可。

但假如我們控制的是一個人形的角色，只是簡單的修改他的位置是不夠的，我們還需要讓角色走得更自然和真實。換句話說，就是讓角色的移動看起來更貼近真實世界。這里面其實涉及到人體結(jié)構(gòu)、物理受力等很多復(fù)雜的問題，我們很難通過簡單的數(shù)學(xué)模型或物理引擎來達(dá)到期望的效果。因此，目前游戲界通常采用人為制作的動畫的方式來取代真實的物理模擬。

動畫的實現(xiàn)有頂點動畫和骨骼動畫兩種方式，現(xiàn)在普遍采用骨骼動畫來處理角色的移動。骨骼動畫，會將3D模型抽象為一些關(guān)鍵點的集合，這些關(guān)鍵點互相連接成“骨骼”并組成一個完整的骨架結(jié)構(gòu)，我們通過改變骨骼的朝向和位置來既可以為模型生成動畫。

由此可見，一個角色的動作是否自然，很大程度上取決于動畫師的設(shè)計。

現(xiàn)在，有了位置以及動畫，角色就可以真正的動起來了。游戲中每一個角色的移動需要有兩個基本的系統(tǒng)共同維護(hù)，一個是角色的動畫系統(tǒng)，另一個是隱藏在代碼背后的位置計算系統(tǒng)（可以稱為移動組件系統(tǒng)）。角色動畫系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照時間戳播放其動畫，一般由美術(shù)通過三維建模軟件制作（2D的比較簡單，就是按幀替換圖片，3D一般是骨骼動畫）。將動畫導(dǎo)入到游戲引擎中，就可以看到該角色會不停播放移動的動畫，但是他不會向前產(chǎn)生任何位移。

那么角色是不是就可以完美的動起來了呢？不，噩夢才剛剛開始。首當(dāng)其沖出現(xiàn)的就是一個非常常見的基本問題——“滑步”，滑步產(chǎn)生的根本原因是動畫上的表現(xiàn)與其實際位置的移動距離不匹配（角色一步走10米，看起來像是在滑行）。

解決滑步通常從兩個方面考慮：

第一個方面是針對角色常規(guī)的移動。一般來說，玩家在走路、跑步的過程中速度是有規(guī)律的，要么是勻速、要么是勻加速。這時候可以把移動組件系統(tǒng)應(yīng)用起來，也就是每當(dāng)玩家播放移動動畫的時候通過玩家的狀態(tài)來合理的計算其應(yīng)該走的位移長度并應(yīng)用。這種方式就可以實現(xiàn)通常意義上的角色移動了。也就是說，這些比較有規(guī)律的移動計算可以交給代碼層面去處理，代碼需要仔細(xì)考慮角色所處的狀態(tài)通過合理的數(shù)學(xué)模型去模擬計算位移。

第二個方面是針對比較復(fù)雜的特殊移動。角色如果不是勻速移動也不是勻加速移動，我們的移動組件系統(tǒng)根本沒法算，就算你代碼寫的再好也很難達(dá)到美術(shù)想要的效果。所以我們通常會采用Rootmotion的解決方案，即每一幀的位置交給美術(shù)處理，他們在做動畫的時候把位移信息也寫到動畫里面，我們移動的時候讀取美術(shù)的數(shù)據(jù)就好了。

當(dāng)然，考慮到美術(shù)工作量等問題，我們不能都用rootmotion解決。角色還有一些特殊處理但是又比較通用的狀態(tài)，比如轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)身、突然停住等，顯然轉(zhuǎn)彎的時候玩家的身體會傾斜、轉(zhuǎn)身時候我們的腳步應(yīng)該逐漸踩過去，突然停住要有一個剎住腳步并恢復(fù)的效果（而不是直接滑過去），這些一般我們使用動畫狀態(tài)機(jī)配合混合空間（Blendspace：可以根據(jù)兩個輸入的動畫來進(jìn)行混合）可以解決大部分問題，不過還是需要美術(shù)制作很多動畫資源。

而狀態(tài)機(jī)，和計算機(jī)的FSM（有限狀態(tài)機(jī)）概念是相似的。在游戲里面，其實就是我們預(yù)先定義了一些節(jié)點作為角色行為狀態(tài)，比如跑，站立，下蹲等。當(dāng)我們按下下蹲按鈕的時候，判斷一下是否滿足某種狀態(tài)切換的條件，滿足的話角色將就會從默認(rèn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下蹲狀態(tài)。

仔細(xì)觀察，你會發(fā)現(xiàn)很多以前游戲都沒有處理這些細(xì)節(jié)，就是因為太過繁瑣。

最近幾年，一個稱為MotionMatch的技術(shù)流行開來，用來解決各種動畫的銜接問題。他的基本原理就是首先制作一個豐富的動畫資源庫，然后在角色移動的時候不斷的根據(jù)當(dāng)前角色的動作與狀態(tài)信息根據(jù)算法從資源庫里面挑選最適合下一幀播放的動畫。育碧的“榮耀戰(zhàn)魂For Honor”就采用了這種技術(shù)，同時配合深度學(xué)習(xí)去挑選動作，達(dá)到了非常不錯的效果。不過這項技術(shù)對于小的團(tuán)隊明顯不太適用。也許多年后會出現(xiàn)一套完善的共享開源動作庫，大家都可以體驗到該技術(shù)帶來的便捷了。

https://www.gdcvault.com/play/1023280/Motion-Matching-and-The-Road

好了，如果我們成功解決了上面的這些問題，是不是就可以讓角色愉快的移動了呢？

答案當(dāng)然是NO！下面還有一堆進(jìn)階的問題等著我們解決，而且不同的游戲面對情況截然不同！

二、移動進(jìn)階問題

1.碰撞

一個玩家動起來了，那如果遇到了障礙怎么辦呢，是推著障礙走還是被阻擋住，這其中的標(biāo)準(zhǔn)如何制定？如果撞到了另一個玩家，可以把人頂走么？玩家上樓梯是一級一級上還是平滑著上？玩家在多少度的斜坡上可以走呢？類似的問題數(shù)不勝數(shù)，很多都是游戲設(shè)計上的問題。

這些問題大部分可以在物理引擎的支持下，通過射線檢測等方式解決，但是也有一些不好處理的情況。

對于上面的問題，這里簡單給出常見的方案。比較大的物件都會設(shè)置為靜態(tài)的（也就是不會移動的），所以玩家移動時會被擋住，而小的東西玩家可以直接踩過去。至于能否頂走其他玩家，要看游戲的類型而決定。上樓梯我們?yōu)榱吮３謹(jǐn)z像機(jī)的平滑，會把臺階的物理設(shè)置成平滑的。

2.特殊模式

前面說了那么多都只是角色行走，而在游戲中設(shè)計者的思路是天馬行空的，策劃可能想讓角色飛起來、游泳、吊單桿、爬梯子、以及各種逼著牛頓從棺材板出來的反物理行為（如多段跳、輕功）等，那么要如何處理這些移動模式呢？

其實上面的每一種特殊的移動方式，都需要特殊的處理方式，幾乎沒有統(tǒng)一的解決方案。比如爬梯子，為了讓玩家的手能夠與梯子的把手重合，我們需要嚴(yán)格設(shè)置梯子的每隔的間距，并做到與動畫相適應(yīng)。同時，也需要做出一種特殊的移動模式，只當(dāng)角色處于爬梯子狀態(tài)時只能勻速的修改坐標(biāo)的Z值。

簡而言之，特殊模式很復(fù)雜，每一個功能拎出來一個都夠程序和美術(shù)做一陣的。

《尼爾機(jī)械紀(jì)元》2B爬梯子的過程設(shè)計的非常舒適

3.特殊對象

我們控制的角色不一定是人形的角色，還可能是汽車、動物。

對于汽車對象，有一點好處是我們基本不用考慮動畫的適配問題，因為汽車不需要像人一樣揮動四肢，只要輪子動起來就可以了（當(dāng)然像地平線、極品飛車這種3A級別的賽車游戲，車身的動畫也是相當(dāng)復(fù)雜的）。但是我們需要在程序里面比較完美地模擬出其移動的軌跡，這就必須要涉及到物理引擎的使用和優(yōu)化，難度也是相當(dāng)之高。

對于動物，我們需要解決一些骨骼的處理問題，由于人形角色在游戲中使用的比較廣泛，相關(guān)的系統(tǒng)支持的都還算不錯。但是由于動物的骨架結(jié)構(gòu)與人不同，所以我們需要制作新的美術(shù)資源，這也就意味著人形的骨骼資源不能適配到動物上。如果你做了各種結(jié)構(gòu)迥異的生物，那美術(shù)肯定就要被累死了。（所以，仔細(xì)觀察的話你會發(fā)現(xiàn)，一個游戲里面很多小怪角色的身體結(jié)構(gòu)都是相似的）

4.多個移動狀態(tài)的銜接

前面提到了角色可能走、跑、唱、跳、飛、游等，當(dāng)你從一個狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)時應(yīng)該如何銜接？走著走著突然被車撞飛（有點慘），是應(yīng)該頭著地還是屁股著地？是被撞的一瞬間就切換成飛出去的動畫么？假如你往前翻越一個柵欄的時候被打了一槍，應(yīng)該往前還是往后倒？翻墻的時候能翻越多高多厚的墻體？

有些時候我們可以通過開啟角色的Ragdoll（布娃娃系統(tǒng)），完全交給物理引擎去處理一些移動模擬。但是很多情況下，我們想要玩家能夠控制最后的效果，所以又不能完全交給物理引擎。目前的部分引擎的動畫系統(tǒng)支持基于物理的動畫，我們可以按照固定權(quán)重進(jìn)行物理和動畫的混合，一定程度上減少了美術(shù)的工作量，也可以做到一些更真實的效果。

5.移動同步

前面說了那么多，還只是針對單機(jī)游戲。如果你是網(wǎng)游，那么你的角色動起來的時候應(yīng)該如何告訴其他客戶端怎么動？如果延遲過大造成兩個客戶端的位置或者動畫不一樣怎么辦？在很多游戲中，移動同步是一個相當(dāng)大的難題，因為玩家的位置每一幀都可能在變化。

常見的同步方案有“幀同步”（Lockstep）和“狀態(tài)同步”，也有很多優(yōu)化的方案。

6.其他細(xì)節(jié)

比如關(guān)卡這個地方能不能走，不能走怎么防止玩家過去？（可以采用的空氣墻處理，然而玩家很討厭空氣墻）

能不能兩個人一起走過一個狹小的空間？因為如果一個玩家站在那里，其他玩家過不去可能體驗會很差，所以可能考慮調(diào)整碰撞體大小來讓兩個人可以并排通過。當(dāng)然，這也涉及到關(guān)卡的設(shè)計問題。

走了一半穿模怎么辦？調(diào)整動畫或者碰撞體。

類似的問題還有很多很多，我這里就不再一一列舉了。

三、總結(jié)

總的來說，角色移動不是簡單的與某幾個系統(tǒng)有關(guān)，可以說他涉及到了整個Gameplay的大部分設(shè)計邏輯，甚至在一些游戲中，我們認(rèn)為他是游戲的玩法核心也毫不為過。

然而，很多時候，他顯得那么自然以至于很多玩家都將其忽略了。