Unity3D遊戲開發之從《魂鬥羅》遊戲說起(上)——目標追蹤

大家在玩《魂鬥羅》的時候一定知道遊戲中有一種追蹤彈吧，這種炮彈會隨着玩家位置的改變而改變，就像我們在某些軍事題材的電影中經常看到的鏡頭一樣，我方戰鬥機將敵機目標鎖定後發射炮彈，炮彈就會對敵機緊追不捨並最最終摧毀敵機。可是不管影視作品特效如何炫酷奪目，最終留給我們的就是華麗的特效背後蘊藏的原理。在遊戲開發領域，這種技術稱爲追蹤算法，它是屬於AI的一個範疇。常見的追中算法主要有三種，即座標追蹤、視線追蹤、攔截追蹤。下面呢，我們來分別講解這三種不同的追蹤算法：

       一、座標追蹤

      座標追蹤是最簡單、最基本的一種追蹤算法，如圖，

     其基本思路是根據追蹤目標的座標來改變追蹤物體的座標，使兩者間距離縮短。舉一個簡單地例子，假設我們使用二維座標mPosition來表示追蹤物體的座標，使用mTargetPos來表示追蹤目標的座標，則座標追蹤的算法可以簡單表示成下面的代碼：

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if(mPosition.x<mTargetPos.x) mPosition.x+=Speed*Time.deltaTime;
if(mPosition.x>mTargetPos.x) mPosition.x-=Speed*Time.deltaTime;
if(mPosition.y<mTargetPos.y) mPosition.y+=Speed*Time.deltaTime;
if(mPosition.y>mTargetPos.y) mPosition.y-=Speed*Time.deltaTime;

     二、視線追蹤，主要是指每一時刻都追蹤者會沿着被追逐者之間的直線方向運動。如圖所示：

        由圖易知，該算法的關鍵是求解兩個位置間的連線。由向量的知識我們知道這條直線可以通過向量可以通過向量a-向量b得到。此時追蹤者的速度應該滿足約束條件：

        水平分速度Vx/垂直分速度Vy=c向量的水平分量/c向量的垂直向量。

         

        三、攔截追蹤，攔截追蹤是在前兩種方法的基礎上發展而來的一種方法，如果考慮的是追蹤目標太遠，如果兩者者速度一樣，或者相差不大，有可能很難追上。如圖

        此時，對於追蹤物體而言，它只需要知道追蹤目標的位置、方向與速度，就會計算一個最佳的攔截位置，且所需要的時間最短。我們假設最佳攔截點是S2，由速度與位移的關係很容易知道 S2＝Sp＋t*V。其中t是追蹤者追上獵物的時間。接下來問題變爲一個簡單的追擊問題，求追擊時間t。

       首先我們建立追蹤者與獵物的速度向量Va與Vp，及位置向量Sa與Sp。  設速度差向量 Vd =Vp-Va 。稱爲靠攏速度。 設距離差向量 Sd ＝Sp-Sa 。稱爲靠攏距離。  於是，靠攏時間 t=|Sd|/|Vd| 。即路程除以速度等於時間。  套用公式S2＝Sp＋t*V 就得到了攔截點S2，剩下的過程就與視線追蹤一樣。

      好了，在理解了追蹤算法的基本原理以後，下面我們以一個最簡單的例子來演示今天的內容。首先我們在Unity3D中建立一個簡單地場景，如圖所示：

       我們採取正交投影的方式來實現一個2D場景，場景中紅色的方塊爲目標物體，綠色的方塊爲追蹤物體。我們這裏採取的是視線追蹤的方法。我們首先來爲追蹤物體創建腳本Follow.cs。腳本定義如下：

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using UnityEngine;
using System.Collections;

public class Follow : MonoBehaviour {

    //追蹤的目標物體
    public Transform Target;
    //兩個物體間的最小距離
    public float MinDistance=1F;
    //兩個物體間的最大距離
    public float MaxDistance=5F;
    //定義追蹤的速度
    public float Speed=0.25F;
    //定義追蹤物體的座標
    private Vector2 mPosition;
    //定義目標物體的座標
    private Vector2 mTargetPos;
    //是否在追蹤
    private bool isFollow=false;

    void Start ()
    {
        mPosition=new Vector2(transform.position.x,transform.position.y);
        mTargetPos=new Vector2(Target.transform.position.x,Target.position.y);
    }

    void Update ()
    {
      //獲取目標物體的位置
      mTargetPos=new Vector2(Target.transform.position.x,Target.position.y);
      //如果追蹤物體與目標物體之間距離大於等於最大距離，則開始追蹤
      if(Vector2.Distance(mPosition,mTargetPos)>=MaxDistance)
      {
            isFollow=true;
      }
      //如果追蹤物體與目標物體之間距離小於等於最小距離，則停止追蹤
      if(Vector2.Distance(mPosition,mTargetPos)<=MinDistance)
      {
            isFollow=false;
      }
      //如果開始追蹤，則執行下面的代碼
      if(isFollow)
      {
            //計算座標值
            if(mPosition.x<mTargetPos.x) mPosition.x+=Speed*Time.deltaTime*Mathf.Abs(Mathf.Cos(getAngle()));
            if(mPosition.x>mTargetPos.x) mPosition.x-=Speed*Time.deltaTime*Mathf.Abs(Mathf.Cos(getAngle()));
            if(mPosition.y<mTargetPos.y) mPosition.y+=Speed*Time.deltaTime*Mathf.Abs(Mathf.Sin(getAngle()));
            if(mPosition.y>mTargetPos.y) mPosition.y-=Speed*Time.deltaTime*Mathf.Abs(Mathf.Sin(getAngle()));
            //改變追蹤物體的座標
            transform.position=new Vector3(mPosition.x,mPosition.y,0);
      }
    }


    private float getAngle()
    {
        float angle=0;
        //獲取水平方向與豎直方向的變化量
        float deltaX=mTargetPos.x-mPosition.x;
        float deltaY=mTargetPos.y-mPosition.y;
        //計算角度
        if(deltaX>0 && deltaY>0)
            angle= Mathf.Atan(deltaY/deltaX);
        if(deltaX<0 && deltaY>0)
            angle= Mathf.PI-Mathf.Atan(deltaY/deltaX);
        if(deltaX<0 && deltaY<0)
            angle= Mathf.PI+Mathf.Atan(deltaY/deltaX);
        if(deltaX>0 && deltaY<0)
            angle= 2*Mathf.PI-Mathf.Atan(deltaY/deltaX);
        if(deltaX==0)
        {
            angle=Mathf.PI/2;
        }
        if(deltaY==0)
        {
            angle=0;
        }
        return angle;
    }
}

      在這段腳本中，我們定義了一個getAngle()方法，該方法用於獲取追蹤物體與目標物體連線與X軸正方向所成的夾角。這裏主要用到三角函數知識，大家可以再溫習下以前學過的知識，無論是程序設計還是遊戲開發，數學都應該是我們最應該掌握的東西。好了，通過角度計算，我們可以將速度分解到水平和垂直兩個方向，從而保證視線追蹤中的約束條件成立。如果我們將getAngle()方法從腳本中去除，則這就是最簡單的座標追蹤，希望大家自己去探討和研究啊，如果有時間的話，會將三種算法的代碼都展示出來的，希望大家繼續關注我的博客啊。呵呵。好了，接下來，我們來爲追蹤目標創建一個腳本，以便玩家可以控制追蹤目標躲避追蹤。腳本定義如下：

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using UnityEngine;
using System.Collections;

public class Control : MonoBehaviour {

    //定義移動的速度
    public float Speed=0.25F;
    //定義當前位置
    private float mX,mY;
    void Start ()
    {
        mX=transform.position.x;
        mY=transform.position.y;
    }

    void Update ()
    {
      if(Input.GetKey(KeyCode.A))
      {
            mX-=Speed*Time.deltaTime;
      }
      if(Input.GetKey(KeyCode.D))
      {
            mX+=Speed*Time.deltaTime;
      }
      if(Input.GetKey(KeyCode.W))
      {
            mY+=Speed*Time.deltaTime;
      }
      if(Input.GetKey(KeyCode.S))
      {
            mY-=Speed*Time.deltaTime;
      }
      transform.position=new Vector3(mX,mY,0);
    }
}

         好了，下面我們來測試一下程序運行的效果：

 

        不知道爲什麼錄製的GIF動畫看不到追蹤物體，囧啊，不過可以負責任地對大家說，程序沒什麼問題，哈哈。

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        好了，今天的內容就是這樣了，希望大家喜歡，如果大家希望繼續在《魂鬥羅》遊戲中尋找有趣的設計。