Unity基础教程-物体运动（五）——自定义重力（Walking on a Sphere）

lukyyy · 发表于 2020-11-25 09:14

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本文重点内容：
1、支持任意重力
2、自定义的向上轴
3、把所有物体拉向一个点
4、对任意物体应用重力

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。

本教程是CatLikeCoding系列的一部分，原文地址见文章底部。

本教程使用Unity 2019.2.21f1创建。另外，它还使用ProBuilder软件包。
探索一个迷你星球
1 重力变量化
到目前为止，我们一直使用固定的重力矢量:9.81向下。这对于大多数游戏来说已经足够了，但并不能满足所有游戏。例如，在代表行星的球体表面行走目前是不可能的。所以这次我们会添加对自定义重力的支持。
在变得复杂之前，让我们开始一个简单的重力翻转，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？如下方展示，它会将其变成反重力，并使我们的球体向上掉落。
反重力
事实证明，我们的球体确实向上飞，但它一开始是粘着地面的。这是因为我们的代码假设重力正常并把它拉向了地面。所以我们需要改变它，这样它就可以适用于任何重力矢量。
1.1 Up轴
默认的Up轴始终等于Y轴。为了摆脱这种假设，我们必须向MovingSphere添加Up轴字段，并使用它。为了支持随时可能变化的重力，我们必须在FixedUpdate的开始处设置Up轴。它指向与重力相反的方向，因此它等于取反的归一化重力矢量。
现在，我们必须用新的Up轴替换Vector3.up的所有用法。首先，在UpdateState中，当球体处于空中时，我们将其用于接触法线。
其次，在Jump中偏向跳跃方向。
然后，还需要调整如何确定跳跃速度。方法就是抵消重力。我们使用的是重力Y分量的-2倍，但现在这不再起作用。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。
最后，在SnapToGround中探查地面时，我们必须将Vector3.down替换为相反的Up轴。
1.2 点积
当需要点积时，我们也不能再直接使用法向向量的Y分量。而是需要使用向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。
然后在CheckSteepContacts中查看我们是否陷入缝隙中。
并在EvaluateCollision中检查我们有什么样的联系。
现在，无论向上哪个方向，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，它也将立即适应新情况。
翻转重力
1.3 相对控制
然而，尽管将重力上下翻转没有问题，但任何其他的方向都会使控制球体变得更加困难。例如，当重力与X轴对齐时，我们只能控制沿Z轴的运动。沿着Y轴的运动是不受我们控制的，只有重力和碰撞能影响它。输入的X轴被消去了因为我们仍然在世界空间XZ平面上定义控制。所以我们需要在重力垂直的平面上定义所需的速度。
如果重力向左的话，我们就会丢失X方向的控制权
由于重力可以变化，我们也必须使right 轴和forward 轴相对应的做出反应。那么，为它们添加字段。
我们需要在平面上投影方向来实现这一点，所以让我们用一个更通用的ProjectDirectionOnPlane方法来代替ProjectOnContactPlane，这个方法可以处理任意法线，并在最后执行标准化。
在AdjustVelocity中使用此新方法来确定X和Z控制轴，将其输入变量轴并与法线接触。
相对重力轴是在Update中得出的。如果存在玩家输入空间，则我们将其向右和向前矢量投影在重力平面上，以找到与重力对齐的X和Z轴。否则，我们将投影世界坐标轴。现在，相对于这些轴定义了所需的速度，因此无需将输入向量转换为其他空间。
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，以重新获得完全控制权。
使用轨道相机
1.4 对齐轨道相机
轨道摄像机仍然很笨拙，因为它始终将世界Y轴用作其向上方向。因此，当直接向上或向下看时，我们仍然可能消除控制轴。理想情况下，轨道摄像机将自身与重力对齐，这既直观又确保相对运动始终按预期进行。
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，将四元数重力对齐字段添加到OrbitCamera中，并使用标识旋转对其进行初始化。
在LateUpdate开始时，请调整对齐方式，使其与当前向上方向保持同步。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。最小旋转可通过Quaternion.FromRotation找到，该旋转创建从一个方向到另一个方向的旋转。我们的则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。
轨道旋转逻辑必须保持不受重力的影响。要做到这一点，添加一个字段来单独跟踪轨道旋转。这个四元数包含了轨道角度的旋转，应该在Awake中进行初始化，设置为与初始相机旋转相同的值。可以使用链式赋值。
只有在手动或自动旋转时，才需要在LateUpdate中进行更改。look rotation然后变为重力路线乘以轨道旋转。
轨道摄像机对齐左向重力
这在手动调整轨道时有效，但是AutomaticRotation会失败，因为它仅在重力指向下方时有效。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。这是通过将反重力对齐方式应用于运动增量来完成的，可以通过Quaternion.Inverse方法获得该增量。
2 球形重力
我们支持任意重力，但仍然限于统一的Physics.gravity向量。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。
2.1 自定义重力
在本教程中，我们将使用非常简单的方法。使用公共GetGravity方法创建一个静态CustomGravity类，该方法返回给定的重力向量，并在世界空间中定位。最初，我们将返回未经修改的Physics.gravity。
当我们使用重力来确定球面和轨道摄像机的Up轴时，我们还要添加一个方便的GetUpAxis方法，再次使用position参数。
我们还可以更进一步，实现一个一次性提供这两种功能的GetGravity变体方法。让我们通过为向Up轴添加一个输出参数来实现这一点。我们通过在参数定义前面写出来来标记它。

out参数如何工作？
它的工作方式类似于Physics.Raycast，它返回是否击中某物并将相关数据放入作为输出参数提供的RaycastHit结构中。
out关键字告诉我们该方法负责正确设置参数，并替换其先前的值。不为其分配值将会产生编译器错误。
在本例中，基本原理是返回重力向量是GetGravity的主要目的，但是你也可以通过输出参数同时获得关联的向上轴。

2.2 应用自定义重力
从现在开始，我们可以依靠OrbitCamera.LateUpdate中的CustomGravity.GetUpAxis来执行重力对齐。我们将基于当前焦点进行此操作。
在MovingSphere.FixedUpdate中，我们可以基于身体的位置使用CustomGravity.GetGravity来获取重力和上轴。我们还需要自己施加引力，将其添加到最终速度作为加速度。另外，让我们将重力向量传递给Jump。
这样我们就可以在需要的时候计算出重力的大小，而不必再根据我们的位置来确定重力。
并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。我们可以通过在Awake中将主体的useGravity属性设置为false来强制执行此操作。
在播放密室下让重力自动反转
2.3 拉向原点
尽管我们已切换到自定义重力方法，但所有操作仍然是一样的。更改Unity的引力向量会像以前一样影响所有事物。为了使重力变为球形，我们必须进行一些额外的更改。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。
真实重力随距离变化。你离得越远，你受它的影响就越小。但我们这里会保持它的强度常数，使用单位重力矢量的Y分量。因此，我们可以通过向上扩展轴来满足。
到这已经完成了简单的球形重力所需要的全部工作。
在半径为10的球体上漫步，重力为-9.81
请注意，当在一颗小行星上行走和跳跃时，有可能最终停留在它周围的轨道上。你在下落，但前进的动量使你沿着表面下落，而不是朝表面下落，就像卫星一样。
被困在了轨道上
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你减速的阻力来缓解这种情况。
2.4 推离
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。

在球体内部运动
3 其他物体
我们的球面和轨道摄像机使用自定义重力，但其他一切仍然依赖于默认重力才能下降。为了使具有刚体分量的任意对象落入原点，我们还必须对它们应用自定义重力。
3.1 特化刚体组件
我们可以扩展现有的Rigidbody组件来添加自定义重力，但是这样就很难隐藏已经配置了Rigidbody的对象。因此，我们将创建一个新的CustomGravityRigidbody组件类型，该组件类型要求存在一个body，并在其唤醒时检索对它的引用。它还要让常规重力失效。
要使物体落入原点，我们要做的就是在FixedUpdate中对其调用AddForce，并根据其位置传递自定义重力。
但是重力是加速度，因此添加ForceMode.Acceleration作为第二个参数。
球体上有一堆小立方体

为什么飞行的方块会抖动？
发生这种情况的原因与我们上章节演示的球体抖动一样。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，则可以使立方体插值其位置。也可以添加逻辑以仅在需要时打开插值。

3.2 休眠
每次FixedUpdate 应用重力的缺点是刚体不再进入休眠状态。PhysX在可能的时候，会让物体进入睡眠状态，有效的减少物体的计算量。因此，限制受重力影响的物体数量是个好主意。
现在，我们可以做的一件事是，通过调用body的IsSleeping方法，在FixedUpdate开始时检查body是否处于睡眠状态。如果是的话，它就处于平衡状态，我们不应该打扰它，所以马上返回。
但是它永远不会入睡，因为我们对其施加了加速。因此，我们必须首先停止加速。让我们假设，如果人体的速度非常低，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。
这是行不通的，因为物体开始时是静止的，也可能因为各种原因在空中停留一段时间。让我们添加一个float 延迟，在此期间我们假设物体是浮动的，但仍有可能下落。它总是重置为零，除非速度低于阈值。在这种情况下，我们等一秒钟再停止施加重力。如果没有足够的时间让物体移动，那么它就应该静止下来。
红色是唤醒，黄色是浮动，灰色休眠
请注意，我们不强迫物体自己休眠。我们将其留给PhysX。这不是支持休眠的唯一方法，但是对于大多数简单情况而言，这是简单而足够的。

为什么物体有时拒绝休眠？
这是因为PhysX一直在做微小的调整，要么改变得非常缓慢，要么在两种状态之间振荡。这可能发生在有一个接近稳定的碰撞状态下。

3.3 保持唤醒
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，我们的假设也会失败，例如，当我们浮动但尚未休眠时，物体可能会非常缓慢地移动，或者地板可能会消失。另外，如果物体短暂存活，例如临时的碎屑，我们也不必担心休眠问题。因此，让我们可以配置是否允许物体漂浮以使其进入休眠状态。
开启了浮动休眠设置
下一章节，介绍复合重力。
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本文翻译自 Jasper Flick的系列教程
原文地址：
https://catlikecoding.com/unity/tutorials

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