射擊遊戲中準心與子彈彈道的探索

前言

  現現在，精品遊戲競爭激烈，各大遊戲廠商都在爭相推出「3A」級品質的遊戲。而目前比較熱門的科幻、戰爭、動做等品類大多都有槍械射擊內容，所以，「玩槍」便成了很大一部分遊戲中常見的玩法。當前比較熱門的使命召喚系列、戰地系列、無主之地系列、戰爭機器系列還有最近流行的吃雞類遊戲（絕地求生、堡壘之夜）等等都是玩槍，核心玩法類型上都是屬於射擊類遊戲。所以作好武器與射擊體驗，還原逼真的射擊情景，便成了這類遊戲的核心賣點。

射擊遊戲的分類

  目前的射擊遊戲主要分爲兩種，一種爲「第一人稱射擊遊戲」（FPS）與「第三人稱射擊遊戲」（TPS）。

第一人稱

  第一人稱射擊遊戲是以玩家主視角進行的射擊遊戲。玩家再也不像別的遊戲類型同樣操縱屏幕中的虛擬人物來進行遊戲，而是身臨其境的主視角，體驗遊戲帶來的視覺衝擊，這就大大加強了遊戲的主動性和真實感。

  如上兩張圖分別是1999年發售的反恐精英（ Counter-Strike ）與2019年發售的使命召喚：現代戰爭 （ Call of Duty: Modern Warfare ）。能夠看到，時隔20年，場景與槍械變得更加精細與逼真，界面變得精美與合理，但不變的是，屏幕中間都作有一個「準心」。

第三人稱

  第三人稱射擊遊戲與第一人稱區別在於，屏幕上顯示的主角的視野不一樣，而且第三人稱中玩家控制的遊戲人物在遊戲屏幕上是可見的，於是第三人稱射擊遊戲增強調更強調動做感。

  如上3張圖都是「幽靈行動：斷點」的遊戲畫面，能夠看到，在沒有瞄準時屏幕中央是沒有準心的，這時能夠將注意力集中在環境、角色動做、遊戲劇情等等。當打開瞄準時，就會出現屏幕中央的準心，還能夠經過Alt鍵切換第一人稱與第三人稱（第二張圖與第三張圖）。

準心

  經過上述的介紹能夠看到，不管是第一人稱仍是第三人稱，屏幕中央都會有「準心」以方便玩家瞄準。那爲何要有準心呢？爲何有了準心以後，咱們在遊戲中就能夠瞄準目標呢？

現實中的射擊

  咱們在物理課程中瞭解過，若是拋去槍的複雜結構不談，槍的工做原理簡單來說就是，彈頭在槍管中受到推動力後作拋物線運動。

  若是彈頭在運動過程當中碰撞到目標，則表示擊中；若未碰撞到目標，則表示未擊中。那麼咱們如何瞄準才能擊中目標呢？

  如圖所示，藍色的水平線則是瞄準線，表明瞄準方向；綠色是槍管軸心線，表明槍管的指向方向；紅色則是子彈的飛行軌跡。假定子彈每次從槍口中射出的速度是固定的，空氣阻力也是固定的，子彈受到的重力也是固定的，那麼按照上圖的瞄準方式，射擊命中的「遠交點」也是固定的。換句話說，用這把槍和這個瞄準角度的話，只能擊中距離槍口x米的目標。那麼若是咱們射擊同一方向上比x米更近或更遠的目標怎麼辦呢？

  如上圖所示，分別爲步槍和狙擊槍的射擊距離調整方法。步槍中有瞄準距離刻度線，調節刻度便可；狙擊槍在瞄準高倍鏡中有刻度線，根據目標的距離，使用對應的瞄準刻度線便可；手槍由於射擊距離短（大部分射擊距離在50米之內），瞄準偏差較小，因此不用調節。

遊戲中的射擊

  而在遊戲中，未開瞄準鏡的情形下，角色的持槍動做每每如上圖所示，將槍固定於肘關節處。爲何要這樣持槍呢？由於這樣持槍姿式能夠減少在第一人稱人下槍所遮住的視野，提高遊戲體驗，而這樣的持槍動做，在現實中是打不許目標的（由於沒有三點一線的瞄準）。在遊戲裏爲了能更加便捷開槍，所以加入了準心的概念。

  有了準心以後，玩家就能夠更加方便地瞄準目標，從而得到更好的射擊體驗。但這種準心「指哪打哪」的遊戲效果是如何實現的呢？

UE4中的子彈彈道

  我剛開始在UE4中實現子彈彈道時，想法很簡答，既然子彈是從槍中射出的，那麼子彈的飛行方向固然就是槍口的朝向。爲了使子彈可以擊中「準心」的位置，我調整了槍在手中的朝向。

問題

<iframe src="//player.bilibili.com/player.html?aid=74612974&cid=127622995&page=1&high_quality=1" scrolling="no" border="0" frameborder="no" framespacing="0" allowfullscreen="true" width="800" height="550"> </iframe> &emsp;&emsp;通過反覆測試後發現，不管怎麼調，只能保證在某一固定射擊距離時，彈着點能與準心重合。當射擊距離改變時，子彈就沒法擊中準心位置，這是什麼緣由呢？

  如上圖所示，假定玩家（攝像機）與槍處在同一水平面，從俯視的角度來看，玩家的準心永遠指向正前方（用紅色線條表示），而槍則在玩家左手或右手，其朝向（用綠色線條表示）與玩家朝向存在夾角Θ。在該夾角下，只有玩家與目標距離y時，彈着點才能恰好在準心上。不管怎麼調整夾角Θ，都只有某一個距離下彈着點恰好落在準心上（由於兩條不平行的直線永遠只有一個交點）。而實際上槍與玩家（攝像頭）並不在同一水平面，在三維座標系下，兩條不平行的直線最多有一個交點（可能沒有交點）。

  那麼該如何解決該問題呢？既然兩條線只有一個交點，那麼能不能根據不一樣的射擊距離改變槍的朝向，使交點始終在準心瞄準位置呢？

  要想調整槍的朝向，就必須調整槍在玩家動畫的骨骼中的相對位置。並且要根據射擊距離實時調整（玩家準心瞄到的障礙物的距離），這個 運算量會很是大，幾乎是不可能實現的，因此這條路走不通，該怎麼辦呢？

解決方案

  既然槍的方向不方便調整，子彈的方向總能夠控制吧！能夠在開槍時，先根據玩家（攝像機）的朝向，作射線檢測，肯定目標彈着點，而後再控制子彈的飛行方向爲槍口飛向彈着點，這不就能夠實現不管玩家瞄向哪裏，子彈均可以擊中「準心」的位置的需求嗎。

計算彈着點

  如上藍圖代碼所示，用攝像機方向（即準心的朝向）作射線檢測，返回擊中的彈着點座標與材質（方便後續播放擊中特效），若未擊中任何物體（例如朝天上開槍），則返回射線檢測的終點，方便客戶端展現彈道。

廣播開槍

  如上藍圖代碼所示，得到彈着點座標與材質後進行廣播，在全部客戶端上播放該玩家的開槍動畫（武器特效），並調用C++函數，利用GamePlayTask生成彈道。

void AWeapon::GenerateBulletTrack(FVector HitLocation, UPhysicalMaterial* HitMaterial)
{
    // 槍口座標
    FVector MuzzleLocation = Mesh->GetSocketLocation("Muzzle");
    // 向量方向：終點 - 起點
    FVector Direction = HitLocation - MuzzleLocation;
    // 飛行速度
    FVector Speed = Direction.Rotation().Vector() * 10000;
    // 飛行時間：距離 / 速度
    float Time = Direction.Size() / Speed.Size();
    // 擊中點特效
    UParticleSystem* HitFX = nullptr;
    // 擊中點材質
    if (HitMaterial)
    {
        EPhysicalSurface SurfaceType = HitMaterial->SurfaceType;
        // 該槍已設置該材質類型的擊中特效
        if (VarHitFXs.Contains(SurfaceType))
        {
            HitFX = VarHitFXs[SurfaceType];
        }
    }
    // 運行子彈軌跡的GamePlayTask
    UBulletTrackTask * TrackTask = UBulletTrackTask::InitBulletTrack(BulletTrackComponent, MuzzleLocation, Speed, TargetFX, HitFX, Time, this, HitLocation);
    TrackTask->ReadyForActivation();
}

  如上C++代碼所示，根據擊中點座標，計算出子彈的飛行方向與距離，而後計算出飛行時間，並用這些參數開啓子彈軌跡的GamePlayTask，用於顯示客戶端的子彈軌跡及擊中特效。

子彈彈道

void UBulletTrackTask::TickTask(float DeltaTime)
{
    // 記錄飛行時間
    ActiveTime += DeltaTime;
    UWorld* World = GetWorld();
    check(World);
    const FVector OldLocation = CurrentLocation;
    // 勻速距離公式：距離 = 速度 * 時間
    FVector MoveDistance = CurrentVelocity * DeltaTime;
    // 新位置
    CurrentLocation = OldLocation + MoveDistance;
    // 更新軌跡特效的位置與朝向
    if (TrackComponent)
    {
         TrackComponent->SetWorldLocationAndRotation(CurrentLocation, UKismetMathLibrary::MakeRotFromX(CurrentVelocity.GetSafeNormal()));
    }
    // 超過飛行時間
    if (ActiveTime >= LifeTime)
    {
        // 有擊中特效
        if (HitFX)
        {
            // 顯示擊中特效
            UGameplayStatics::SpawnEmitterAtLocation(World, HitFX, HitLocation);
        }
        EndTask();
    }
}

  經過運行該子彈軌跡的GamePlayTask，每幀會更新子彈軌跡特效的位置，顯示子彈的飛行過程，若是超過了子彈的飛行時間，則在服務器已計算出的擊中點產生擊中特效（受傷害特效）等等，實現了子彈老是能擊中游戲準心瞄準的目標。

<iframe src="//player.bilibili.com/player.html?aid=74613873&cid=127622995&page=1&high_quality=1" scrolling="no" border="0" frameborder="no" framespacing="0" allowfullscreen="true" width="800" height="550"> </iframe> # 展望

  上述解決方案是彈道實現的較簡化版本，由於沒有考慮子彈的飛行時間、子彈重力、槍械後坐力、空氣阻力等諸多因素。若是考慮這些因素的話，服務器就不適合直接用射線檢測來計算彈着點，而是一樣改用GamePlayTask來實現，以便可以精確計算子彈飛行過程當中的受力、飛行碰撞等等問題。但這樣作勢必會增長服務器中彈着點計算耗時（由於會增長子彈飛行時間），加大客戶端的表現困難（讓玩家感覺到開槍有延時），這也是該方案後續的難點。