Unity3D游戏开发之从《魂斗罗》游戏说起(上)——目标追踪

大家在玩《魂斗罗》的时候一定知道游戏中有一种追踪弹吧，这种炮弹会随着玩家位置的改变而改变，就像我们在某些军事题材的电影中经常看到的镜头一样，我方战斗机将敌机目标锁定后发射炮弹，炮弹就会对敌机紧追不舍并最最终摧毁敌机。可是不管影视作品特效如何炫酷夺目，最终留给我们的就是华丽的特效背后蕴藏的原理。在游戏开发领域，这种技术称为追踪算法，它是属于AI的一个范畴。常见的追中算法主要有三种，即坐标追踪、视线追踪、拦截追踪。下面呢，我们来分别讲解这三种不同的追踪算法：

       一、坐标追踪

      坐标追踪是最简单、最基本的一种追踪算法，如图，

     其基本思路是根据追踪目标的坐标来改变追踪物体的坐标，使两者间距离缩短。举一个简单地例子，假设我们使用二维坐标mPosition来表示追踪物体的坐标，使用mTargetPos来表示追踪目标的坐标，则坐标追踪的算法可以简单表示成下面的代码：

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、视线追踪，主要是指每一时刻都追踪者会沿着被追逐者之间的直线方向运动。如图所示：

        由图易知，该算法的关键是求解两个位置间的连线。由向量的知识我们知道这条直线可以通过向量可以通过向量a-向量b得到。此时追踪者的速度应该满足约束条件：

        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、拦截追踪，拦截追踪是在前两种方法的基础上发展而来的一种方法，如果考虑的是追踪目标太远，如果两者者速度一样，或者相差不大，有可能很难追上。如图

        此时，对于追踪物体而言，它只需要知道追踪目标的位置、方向与速度，就会计算一个最佳的拦截位置，且所需要的时间最短。我们假设最佳拦截点是S2，由速度与位移的关系很容易知道 S2＝Sp＋t*V。其中t是追踪者追上猎物的时间。接下来问题变为一个简单的追击问题，求追击时间t。

       首先我们建立追踪者与猎物的速度向量Va与Vp，及位置向量Sa与Sp。  设速度差向量 Vd =Vp-Va 。称为靠拢速度。 设距离差向量 Sd ＝Sp-Sa 。称为靠拢距离。  于是，靠拢时间 t=|Sd|/|Vd| 。即路程除以速度等于时间。  套用公式S2＝Sp＋t*V 就得到了拦截点S2，剩下的过程就与视线追踪一样。

      好了，在理解了追踪算法的基本原理以后，下面我们以一个最简单的例子来演示今天的内容。首先我们在Unity3D中建立一个简单地场景，如图所示：

       我们采取正交投影的方式来实现一个2D场景，场景中红色的方块为目标物体，绿色的方块为追踪物体。我们这里采取的是视线追踪的方法。我们首先来为追踪物体创建脚本Follow.cs。脚本定义如下：

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class Follow : MonoBehaviour {

    //追踪的目标物体
    public Transform Target;
    //两个物体间的最小距离
    public float MinDistance=1F;
    //两个物体间的最大距离
    public float MaxDistance=5F;
    //定义追踪的速度
    public float Speed=0.25F;
    //定义追踪物体的坐标
    private Vector2 mPosition;
    //定义目标物体的坐标
    private Vector2 mTargetPos;
    //是否在追踪
    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 ()
    {
      //获取目标物体的位置
      mTargetPos=new Vector2(Target.transform.position.x,Target.position.y);
      //如果追踪物体与目标物体之间距离大于等于最大距离，则开始追踪
      if(Vector2.Distance(mPosition,mTargetPos)>=MaxDistance)
      {
            isFollow=true;
      }
      //如果追踪物体与目标物体之间距离小于等于最小距离，则停止追踪
      if(Vector2.Distance(mPosition,mTargetPos)<=MinDistance)
      {
            isFollow=false;
      }
      //如果开始追踪，则执行下面的代码
      if(isFollow)
      {
            //计算坐标值
            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()));
            //改变追踪物体的坐标
            transform.position=new Vector3(mPosition.x,mPosition.y,0);
      }
    }


    private float getAngle()
    {
        float angle=0;
        //获取水平方向与竖直方向的变化量
        float deltaX=mTargetPos.x-mPosition.x;
        float deltaY=mTargetPos.y-mPosition.y;
        //计算角度
        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;
    }
}

      在这段脚本中，我们定义了一个getAngle()方法，该方法用于获取追踪物体与目标物体连线与X轴正方向所成的夹角。这里主要用到三角函数知识，大家可以再温习下以前学过的知识，无论是程序设计还是游戏开发，数学都应该是我们最应该掌握的东西。好了，通过角度计算，我们可以将速度分解到水平和垂直两个方向，从而保证视线追踪中的约束条件成立。如果我们将getAngle()方法从脚本中去除，则这就是最简单的坐标追踪，希望大家自己去探讨和研究啊，如果有时间的话，会将三种算法的代码都展示出来的，希望大家继续关注我的博客啊。呵呵。好了，接下来，我们来为追踪目标创建一个脚本，以便玩家可以控制追踪目标躲避追踪。脚本定义如下：

using UnityEngine;
using System.Collections;

public class Control : MonoBehaviour {

    //定义移动的速度
    public float Speed=0.25F;
    //定义当前位置
    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，下面我们来测试一下程序运行的效果：

 

        不知道为什么录制的GIF动画看不到追踪物体，囧啊，不过可以负责任地对大家说，程序没什么问题，哈哈。

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        好了，今天的内容就是这样了，希望大家喜欢，如果大家希望继续在《魂斗罗》游戏中寻找有趣的设计。