3D 游戏实战开发 | 青训营笔记

这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 17 天

实例项目：太空飞船大战

0x1 3D 实体搭建

1. 3D 实体

   3D 游戏是由一个个具有形状的实体组成的，每个实体在空间存在于特定的位置，有特定的旋转角度

2. 3D 实体的位姿态

   • 位置Position(x, y, z)
   • 旋转Rotation(x, y, z)
   • 缩放Scale(x, y, z)

   在 Unity 中，绝大部分情况下，是先缩放，再旋转，后平移

3. 3D 实体的创建

   1. 通过加载 3D 模型创建，如 fbx、gltf、obj
   2. 通过组合参数化的基本几何体创建

4. 3D 实体的绘制

   1. 材质
   2. 颜色
   3. 纹理

5. 预制体

   • 预制体（Prefab）就是将游戏对象保存在工程中，在需要的时候创建出来
   • 预制体存储着一个游戏对象，包括游戏对象的所有组件以及其下的所有子游戏对象

0x2 相机、光照、天空盒

1. 相机

   1. Clear Flag
   2. 背景颜色
   3. Culling Mask
   4. 投影
      1. 透视投影（Perspective）：具有近大远小的投影特点，如 写实类游戏
      2. 正交投影（Orthographic）：不具备景深上近大远小的差别，如 策略类游戏

2. 光照

   1. 光照类型
      1. 点光源
      2. 平行光
      3. 聚光灯
      4. 面积光
   2. 颜色
   3. 强度
   4. 阴影类型

3. 天空盒

   1. 相机的清除标识为“天空盒”

   2. 窗口 - 渲染 - 照明设置

   3. 环境 - 天空盒材质

   更多天空盒

0x3 控制与碰撞

1. 实时游戏时序

   1. 时序

       

1. 1.  

       

       

       

       

       

      1 帧

      初始化

      物理

      输入

      游戏逻辑

      渲染

      停顿

      销毁

   2. 为主角飞船添加控制逻辑

      1. 添加刚体组件

         • Add Component > Physics > Rigidbody
         • Use Gravity 设置为 false，忽略重力的影响
         • isKinematic 设置为 true，飞船通过脚本而非力影响运动属性
         • 设置 Constraints，冻结 Z 轴位移以及 XYZ 轴旋转

      2. 添加自定义脚本

         • Add Component > New Script

         • MonoBehaviour 是一个基类，所有 Unity 脚本都派生自该类

           Start()：在首次调用任何 Update 方法之前在帧上调用 Start

           Update()：每帧调用 Update

           FixedUpdate()：用于物理计算且独立于帧率

           LateUpdate()：在每一次调用 Update 函数后调用

           OnGUI()：渲染和处理 GUI 事件

           OnDisable()：在对象被禁用时调用，对象销毁时也会销毁该函数

           OnEnable()：在对象变为启用和激活状态时调用

           using System.Collections;
           using System.Collections.Generic;
           using UnityEngine;
           public class Hero : MonoBehaviour
           {
               static public Hero S;	// 单例对象
               [Header("Set in Inspector")]
               public float speed = 30;
               // 控制飞船的运动
               public float rollMult = -45;
               public float pitchMult = 30;
            
               [Header("Set Dynamically")]
               public float shieldLevel = 1;
               void Start()
               {
                   if(S == null)
                       S = this;	// 设置单例对象
                   else
                       Debug.LogError("尝试重复设置 Hero 实例");
               }
               void Update()
               {
                   // 获取输入的信息
                   float xAxis = Input.GetAxis("Horizontal");
                   float yAxis = Input.GetAxis("Vertical");
                   // 修改 transform.position
                   Vector3 pos = transform.position;
                   pos.x += xAxis * speed * Time.deltaTime;
                   pos.y += yAxis * speed * Time.deltaTime;
                   transform.position = pos;
                   // 发生位移时旋转一个角度
                   transform.rotation = Quaternion.Euler(yAxis * pitchMult, xAxis * rollMult, 0);
               }
           }

   3. 添加敌机

      • 为每架敌机预制体添加一个刚体

        • 选中敌机预制体，在菜单栏执行 Component > Physics > Rigidbody
        • 在新添加的刚体组件中，将 Use Gravity 设置为 false
        • 将 isKinematic 设置为 true
        • 打开 Constraints 旁边的三角形展开图标，冻结 Z 轴的坐标和 XYZ 轴的旋转

      • 建立敌机的脚本 Enemy.ts

        using System.Collections;
        using System.Collections.Generic;
        using UnityEngine;
        public class Enemy : MonoBehaviour
        {
            [Header("Set in Inspector: Enemy")]
            public float speed = 10f;		// 运动速度，米每秒
            public float fireRate = 0.3f;	// 发射频率
            public float health = 10;		// 生命值
            public float score = 100;		// 得分
            public Vector3 pos
            {
                get { return(this.transform.position); }
                set { this.transform.position = value; }
            }
            void Update()
            {
                Move();
            }
            public virtual void Move()
            {
                Vector3 tempPos = pos;
                tempPos.y -= speed * Time.deltaTime;
                pos = tempPos;
            }
        }

      • 为每架敌机预制体添加脚本 Enemy.ts

   4. 随机生成敌机

      新建一个名为 Main 的 C# 脚本，绑定到 Main Camera 上

      using System.Collections;
      using System.Collections.Generic;
      using UnityEngine;
      using UnityEngine.SceneManagement;	// 用于加载和重载场景
      public class Main : MonoBehaviour
      {
          private float camWidth;		// 游戏界面呈现的相机宽度
          private float camHeight;	// 游戏界面呈现的相机高度
          static public Main S;		// 设置 Main 单例
          [Header("set in Inpector")]
          public GameObject[] prefabEnemies;			// Enemy 预设数组
          public float enemySpawnPerSecond = 0.5f;	// 每秒产生敌机数
          public float enemySpawnPadding = 1.5f;		// 填充敌机举例地图左右边界的位置
          void Start()
          {
              S = this;
              camHeight = Camera.main.orthographicSize;		// 只有正交投影时有效
              camWidth = camHeight * Camera.main.aspect;
              Invoke("SpawnEnemy", 1f/enemySpawnPerSecond);
          }
          void Update()
          {
              // 随机选取一架敌机预设并实例化
              int ndx = Random.Range(0, prefabEnemies.Length);
              GameObject go = Instantiate<GameObject>(prefabEnemies(ndx));
              // 使用随机生成的 x 坐标，将敌机置于屏幕上方
              Vector3 pos = Vector3.zero;
              float xMax = camWidth - enemySpawnPadding;
              float xMin = -camWidth + enemySpawnPadding;
              pos.x = Random.Range(xMin, xMax);
              pos.y = camHeight + enemySpawnPadding;
              go.transform.position = pos;
              Invoke("SpawnEnemy", 1f/enemySpawnPerSecond);
          }
      }

2. 输入管理器和Input.GetAxis()

   1. 输入管理器（InputManager）是 Unity 设置输入响应方式的管理列表 Edit > Project > Setting > Input
   2. Input.GetAxis()：从 InputManager 中获取值，其中 GetAxis 方法用于获取坐标值

3. 设置标签、图层和物理规则

   游戏中存在不同类型的游戏对象，它们需要防止在不同的图层中，并与其他游戏对象发生不同的交互

   • 主角飞船会与敌机、敌机炮弹、升级道具等碰撞，但不会与主角飞船的炮弹碰撞

   • 主角飞船的炮弹会与敌机、敌机炮弹等碰撞

   • 敌机

   • 敌机的炮弹

   • 升级道具

   1. 标签和图层管理器

      1. Edit > Project Setting > Tags and Layers
      2. 打开 Tags 左侧的三角形展开按钮，在点击 + 号后输入标签名称
      3. 点击 Layers 旁边的三角形展开按钮，从User Layer 8 开始依次输入图层名称

   2. 物理管理器

      Edit > Project Setting > Physics

   3. 为游戏对象指定合适的图层

      1. 在层级面板中选择 _Hero，在检视面板中从 Layer 下拉菜单中选择 Hero 选项
      2. 在检视面板中，在 Tags 下拉菜单中选择 Hero 选项，为 _Hero 设置标签
      3. 从项目面板中，选择所有敌机预设并设置图层为 Enemy

4. 碰撞

   1. 敌机碰撞主角飞船

      将主角飞船与敌机飞船及其子组件上已有的碰撞盒去掉，每个对象的母体上 Add Component > Sphere Collider

   2. 添加碰撞代码

      在 Hero 类中添加代码：

      void OnTriggerEnter(Collider other)
      {
          // print("触发碰撞事件：" + other.gameObject.name);
          if(other.tag == "Enemy")
              Destory(this.gameObject);
      }

0x4 玩法逻辑与 UI

1. 主角飞船增加射击功能

   • 新建预制体，命名为 ProjectileHero，模型为立方体，Position 与 Rotation 均为 [0, 0, 0]，Scale 为 [0.25, 1, 0.5]，保留默认的 Box Collider 并设置其 Size.z 为 10
   • 新建材质，命名为 Mat_Projectile，将着色器指定为 ProtoTools > UnlitAlpha，并将新材质运用到 ProjectileHero 上
   • 为 ProjectileHero 游戏对象添加一个新的刚体组件：
     • Use Gravity：false
     • isKinematic：false
     • Collision Detection：Continuous
     • Constraints 冻结 Z 轴与 XYZ 轴旋转
   • Tag 和 Layer 设置为 ProjectileHero

2. 实例化炮弹

   // Hero.ts
   public GameObject projectilePrefab;
   public float projectileSpeed = 40;
    
   void Update()
   {
       // 按下空格键开火
       if(Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
           TempFire();
   }
   void TempFire()
   {
       GameObject projGO = Instantiate<GameObject>(projectilePrefab);
       projGO.transform.position = transform.position;
       Rigidbody rigidB = projGO.GetComponent<Rigidbody>();
       rigidB.velocity = Vector3.up * projectileSpeed;
   }

3. 为炮弹添加碰撞事件

   public class ProjectileHero: MonoBehaviour
   {
       private float camHeight;
       void Start()
       {
           this.camHeight = Camera.main.orthographicSize;
       }
       void Update()
       {
           // 飞出屏幕的炮弹自动销毁
           if(transform.position.y > this.camHeight)
               Destroy(this.gameObject);
       }
       void OnCollisionEnter(Collision other)
       {
           if(other.gameObject.tag == 'Enemy')
           {
               Destroy(other.gameObject);
               Destroy(this.gameObject);
           }
       }
   }

4. 设置计分板

   • GameObject > UI > Text
     • Canvas：匹配游戏面板尺寸的画布
     • EventSystem：用于运转按钮等交互元素
   • 选择 Text 对象，修改名称为 Score
   • 设置 Text 对象

5. 得分机制

   每次消灭敌机加 50 分

   using UnityEngine.UI;
   using TMPro;
   public class Hero : MonoBehaviour
   {
       static public Hero S;
       public TMP_Text scoreGT;
       public int score;
   }
    
   //======================\\
   public class ProjectileHero : MonoBehaviour
   {
       private float camHeight;
       void OnCollisionEnter(Collision other)
       {
           if(other.gameObject.tag == 'Enemy')
           {
               Hero.S.score += 50;
               Hero.S.scoreGT.text = "Score: " + Hero.S.score;
           }
       }
   }

6. 游戏重新开始

   主角飞船被消灭 2 秒后重新开始游戏

   using UnityEngine.SceneManagement;
   public class Main : MonoBehaviour
   {
       public void DelayedRestart(float delay)
       {
           Invoke("Restart", delay);
       }
       public void Restart()
       {
           SceneManager.LoadScene("SimpleScene");
       }
   }
    
   //======================\\
   public class Hero : MonoBehaviour
   {
       static public Hero S;
       void OnTriggerEnter(Collider other)
       {
           if(other.tag == "Enemy")
           {
               Main.S.DelayedRestart(2f);
           }
       }
   }