镜之边缘的运动系统浅析
镜之边缘是一款以跑酷作为核心玩法的游戏，也是我心目中最优秀的跑酷游戏。尽管该游戏至今已经有十多年的历史，但依然难有后辈游戏能够在跑酷系统上超越它。作为一款跑酷为核心的游戏，镜之边缘的TraversalSystem构建的不可谓不优秀，优秀的表现，流程的手感，不愧是老Dice的技术力。Locomotion也是本人日常工作的核心内容，所以非常好奇镜之边缘是如何构建这样优秀的TraversalSystem。
StillAlive是镜之边缘这款游戏的民间导出版本，基于Unity和C#实现，关于TraversalSystem的实现，基于参照了原始游戏的版本。简单分析StillAlive的代码，能够很好的了解到类似镜之边缘这样的游戏，一套优秀的TraversalSystem是如何构建的。
一个TraversalSystem，可以从某种程度上分成两部分：一部分是逻辑层，负责各个运动行为的表现和切换；另一部分则是物理层，在不同的运动状态下，所执行不同的物理运动逻辑。后文也会基于上述的思路从两个部分拆解StillAlive中的运动系统，相信基本能囊括到TraversalSystem的方方面面。
本文会分为几部分，多次写完，整体结构可能会多次调整。
TdMove逻辑行为
TdMove用于实现在不同运动状态下，执行不同的游戏逻辑，类似于TurnInPlace，Slide，Climb等等。所有的运动状态被细分拆解成一系列的TdMove，从而能够以OOP的方式组织代码。TdMove以类型数组的方式存储在角色对象上（Pawn），数组的索引和枚举值一一对应，从而能够取出对应的TdMove类，执行后续实例化逻辑。大致代码如下：
public enum EMovement
{
MOVE_None,
MOVE_Walking,
MOVE_Falling,
MOVE_Grabbing,
// .....
MOVE_BotGetDistance,
MOVE_Cutscene,
MOVE_MAX
};
class Pawn
{
// 当前运动状态的枚举值
public TdPawn.EMovement MovementState;
[repnotify] public TdPawn.EMovement ReplicatedMovementState;
// TdMove的类
public array<TdMove> MoveClasses = new array<TdMove>() {
default,
ClassT<TdMove_Walking>(),
ClassT<TdMove_Falling>(),
ClassT<TdMove_Grab>(),
// .......
ClassT<TdMove_Cutscene>(),
}
// TdMove的实例对象，由MoveClasses构建
public array<TdMove> Moves;
};
可以从代码中看到，Pawn中还存储了当前MovementState（MovementState同时是网络复制对象），可以想到TdMove以类似于FSM的形式去触发，在StillAlive中TdPawn_SetMove会设置当前MovementState，并执行对应TdMove的进入和退出逻辑，同时标记网络复制对象，从而可以同步到各个模拟端。
class Pawn
{
public bool TdPawn_SetMove(EMovement NewMove, bool _bViaReplication)
{
if(_bViaReplication)
{
// ...
}
else
{
// 执行上一个TdMove的退出逻辑
if(((int)MovementState) != ((int)TdPawn.EMovement.MOVE_None/*0*/))
{
Moves[((int)MovementState)].StopMove();
}
OldMovementState = ((TdPawn.EMovement)MovementState);
MovementState = ((TdPawn.EMovement)NewMove);
// 执行上一个TdMove的PostStop
if(((int)OldMovementState) != ((int)TdPawn.EMovement.MOVE_None/*0*/))
{
Moves[((int)OldMovementState)].PostStopMove();
}
// 标记网络复制
ReplicatedMovementState = ((TdPawn.EMovement)NewMove);
SetNetUpdateTime(WorldInfo.TimeSeconds - ((float)(1)));
// 执行新的Move逻辑
Moves[((int)MovementState)].StartMove();
// 分发NewMove的事件
NotifyNewMove();
}
}
};
现在看看TdMove本身的一些实现，结构上大致和传统FSM的State类似，其中核心的两个方法是StartMove和StopMove，用于执行进入和退出时的响应逻辑。先看看StillAlive中TdMove的实现：
// 仅列出核心的几个函数
class TdMove
{
// 当前Move能否执行
public virtual bool CanDoMove()
{
// 检测行为冷却
if((LastStopMoveTime > 0.0f) && RedoMoveTime > (CurrentWorldTime - LastStopMoveTime))
{
return false;
}
// 检测玩家状态(死亡)
if (!CheckPawnStatus())
{
return false;
}
return true
}
public virtual void StartMove()
{
// 基类的StartMove提供了一些通用的配置，类似于禁止移动，关闭碰撞等等
PawnOwner.SetIgnoreMoveInput(DisableMovementTime);
PawnOwner.SetIgnoreLookInput(DisableLookTime);
PawnOwner.SetCollision(true, bDisableCollision, default(bool?));
PawnOwner.LookAtRelease()
}
public virtual void StopMove()
{
// 通用清除行为，恢复StartMove时的一些设置，恢复碰撞，取消禁止移动
PawnOwner.StopIgnoreLookInput();
PawnOwner.StopIgnoreMoveInput();
// ...
}
// 特殊的运动逻辑，发生在PerformPhyscis（实际运动）之前
public virtual unsafe void PrePerformPhysics(float DeltaTime)
};
TdMove作为基类，实现了一些通用的配置逻辑，用于在Move开始和结束时，设置角色的一些通用状态（碰撞、动画）。同时也封装了一些可公用的工具方法，例如MovementLineCheck、FindLedge等等，供各个派生类使用（虽然更合适的做法是封装一个Utility的静态工具类）。
TdMove中还有另外一个非常重要的方法是PrePerformPhysics，这是一个在每次玩家执行物理运动前都会调用到的方法。换句话说，在单机模式下这可以被视为一种Tick逻辑。TdMove能够在这个函数中，执行自定义的逻辑影响到后续的PerformPhysics，比如设置速度、加速度、运动模式。
其实从这里也可以看出，TdMove相比于后文会讲到的PhysBehavior，更倾向于为表现层逻辑。即执行这个Move时，角色需要处于什么状态，播什么动画，执行特定的表演相机，可以理解为一种MovementAbility。如果放在现在的UE5中去实现类似的系统，GameAbilitySystem会是一套合适的框架，这个后续可以延申一下。
现在我们需要知道StillAlive在何时去调用TdPawn_SetMove，显而易见的思路就是检测当前条件，触发对应行为。更具体的说法就是，收集角色当前状态信息和通用的环境信息，根据优先级依次去检测各个Move的条件。从这里引申出来的两个重要的问题，一是如何更方便的配置不同优先级的检测序列，另外一个则是如何优化检测的效率，这里每个问题都可以展开述说，但是先搁置不谈。
回到StillAlive中，触发SetMove的情况大致分为四部分：
- TdMove本身逻辑去设置下一个Move的类型。例如爬梯子过程中，解除到地面，手动切换到MOVE_Walking
- PhysicsVolume，如LadderVolume、ZiplineVolume，当Pawn接触到PhysicsVolume会尝试设置对应的Move
- PlayerMoveManager，一个巨大的FSM，处理在不同的MovementState时对特定MovementAction（后续探讨这个概念）的响应，在响应的过程中会设置特定的TdMove。
- CheckAutoMoves，最核心的部分，CheckAutoMoves发生在TdPawn的performPhysics中，即实际物理运动之前。CheckAutoMoves会基于角色当前位置和运动趋势，向前方检测障碍物的信息，判断障碍物是否满足特定行为的需求，列如VaultOver，WallClimbi等等。这类行为往往也会影响到后续的PhysBehavior。
基于上述四个部分，就可以囊括StillAlive中所有Move相关的逻辑。从这四个部分去进一步分析代码，就能够更清晰地了解到StillAive地TraversalSystem地实现。
镜之边缘的Move行为非常丰富，在进一步分析更多的TdMove之前，先简单看一下StillAlive中TdMove的继承链：
@startuml
class TdMove {
+ virtual bool CanDoMove()
+ virtual void StartMove()
+ virtual void StopMove()
}
class TdPhysicsMove
TdMove <|-- TdPhysicsMove
class TdMove_Walking
TdPhysicsMove <|-- TdMove_Walking
class TdMove_ZipLine
TdPhysicsMove <|-- TdMove_ZipLine
class TdMove_WallClimb
TdPhysicsMove <|-- TdMove_WallClimb
class TdCustomMove
TdMove <|-- TdCustomMove
class TdMove_Slide
TdCustomMove <|-- TdMove_Slide
@enduml
TdMove_Zipline
让我们先从Zipline这个相对简单的例子入手，StillAlive定义了TdZiplineVolume，TdZiplineVolume继承自TdMovementVolume，本质就是一种空间碰撞体（对于UE熟悉的碰撞应该会很熟悉这个概念），TdMovementVolume提供了PawnUpdate的虚函数，用于实现各个物理体积的特殊逻辑。现在看看TdZiplineVolume的PawnUpdate实现：
public class TdZiplineVolume : TdMovementVolume
{
public override void PawnUpdate(TdPawn CurrentPawn)
{
EMovement CurrentMovementState = CurrentPawn.MovementState;
if (CurrentMovementState == EMovement.MOVE_ZipLine ||
CurrentMovementState == EMovement.MOVE_IntoZipLine)
{
return;
}
TdMove_IntoZipLine tdMove = CurrentPawn.Moves[(int)EMovement.MOVE_IntoZipLine];
tdMove.ZipLine = this;
if(tdMove.CanDoMove())
{
CurrentPawn.SetMove(TdPawn.EMovement.MOVE_IntoZipLine);
}
}
}
实现的非常直白，如果玩家没有处于Zipline状态，则获取TdMove_IntoZipline实例，如果CanDoMove满足，则设置为当前的Move。TdMove_intoZipline的CanDoMove我们不列出具体代码，基本思路就是继续检查玩家当前的状态上能否执行Zipline，玩家朝向和Zipline的夹角是否满足要求（Zipline在玩家角色正前方）。StartMove值得展开一下，期望的效果是角色播放一个抓取动作，同时位置变换到最近的Zipline位置，朝向朝向Zipline的方向，大致的代码实现如下：
public partial class TdMove_IntoZipLine : TdPhysicsMove
{
public override void StartMove()
{
// 基于Zipline的Spline，根据玩家位置找到Spline上最近的点，这将是目标对齐点
Vector DestToReach;
ZipLine.FindClosestPointOnDSpline(PawnOwner.Location, ref DestToReach);
// 计算角色预期旋转，朝向Zipline方向
Rotator wantedrotation = ZipLine.GetSlopeOnSpline(0);
// 基于当前速度计算对齐间隔（速度越快对其越快）
float TimeToDestination = VSize(DestToReach - PawnOwner.Location) / IntoClimbSpeed;
// 设置对齐（精确）位置
SetPreciseLocation(DestToReach, TdMove.EPreciseLocationMode.PLM_Fly, IntoClimbSpeed);
// 设置对齐（精确）旋转
SetPreciseRotation(WantedRotation, TimeToDestination);
// 播放对应动画
PlayMoveAnim(CNT_FullBody, "ZiplineStart");
}
}
上述代码同时展示了对于大部分Move行为的范式逻辑：计算目标位置和旋转，播放对应动画表现，配合动画表现并在预期时间内将角色设置到目标位置和旋转。个人认为这是TraversalSystem中最为核心的部分，可以延申出的几个关键问题是：如何正确计算目标位置（或者多个目标位置），如何选择合适的动画，如何处理位移和选择。
我们不过多追究具体的代码实现，但是让我们简单看看PreciseLocation和PreciseRotation的处理。这两个方法记录了目标变换，以及插值的速度和时间。因为角色位置和旋转实际上属于物理属性，所以具体的处理逻辑发生在基类的TdMove::PrePerformPhysics中，基于DeltaTime会逐渐插值到我们设置的目标变换上。这里说一句题外话，给动画的RootMotion加上MotionWarping，将固定的动画位移缩放以匹配到目标点，也是非常常见的方案。
当角色到达PreciseLocation后，会触发ReachedPreciseLocation回调，这使得我们能够推进后续行为。对于TdMove_IntoZipline来说，则相当于完成进入（对齐）Zipline的行为，可以正式推进Zipline逻辑。
public partial class TdMove_IntoZipLine : TdPhysicsMove
{
public override void ReachedPreciseLocation()
{
if(PawnOwner.Moves[(int)EMovement.MOVE_ZipLine].CanDoMove())
{
PawnOwner.SetMove(EMovement.MOVE_ZipLine);
}
else
{
PawnOwner.SetMove(TdPawn.EMovement.MOVE_Falling);
}
}
}
如果说TdMove_IntoZipline是一个典型的行为式Move，那么TdMove_Zipline则代表着另一种典型的状态式Move。先抛开StillAlive的实现，去思考Zipline状态时需要做的事，一是施加基于Zipline方向的加速度，且需要将速度方向限制在Zipline方向上，并且在快到末尾的时候能够减速，到达末尾时能正确退出状态；二是需要处理Zipline过程中的表现，正确播放动画，播放声音。
在StillAlive中，定义了ZiplineStatus枚举，用于标注Zipline当前的执行状态。然后我们需要在每次执行运动逻辑前，检测当前的ZiplineStatus，从而执行不同的分支逻辑。这段逻辑实现在TdMove_Zipline::PrePerformPhysics中：
public partial class TdMove_ZipLine : TdPhysicsMove
{
public enum EZipLineStatus
{
ZLS_Moving, // zipline默认运动中
ZLS_CloseToEnd, // 接近Zipline末端
ZLS_Impact, // 接触Zipline末端
ZLS_MAX
};
public override unsafe void PrePerformPhysics(float DeltaTime)
{
// 仅主控端和服务端调用后续逻辑
TdPawn PawnOwner = this.PawnOwner;
if (PawnOwner.Role < ROLE_AutonomousProxy)
{
return;
}
// 计算角色当前的速度
// 大致思路就是计算角色所处的ZiplineSegment，基于Segment的两个端点和玩家的位置关系，计算当前的速度向量
// 主要是要让速度匹配上Zipline的方向，具体代码略过
FVector NewVelocity;
// ...
PawnOwne.Velocity = NewVelocity;
// 处理ZiplineStatus
// 先检测运动路径上是否存在障碍
EZipLineStatus Status = this.ZiplineStatus;
FVector Start = PawnLocation;
FVector End = NextPoint; // 基于当前运动状态预测的目标点
if ( this.MovementTraceForBlocking(Start, End, a2))
{
if (Status == ZLS_Impact)
{
// 如果已经Impact则停止当前移动
PawnOwner.Velocity = FVector::ZeroVector;
PawnOwner.Acceleration = FVector::ZeroVector;
}
else if (Status == ZLS_CloseToEnd)
{
this.PlayForwardImpact();
}
else // Status == ZLS_Moving
{
// 先切换CloseToEnd状态
this.PrepareForForwardImpact();
this.ZipLineStatus = ZLS_CloseToEnd;
}
}
}
}
PrePerformPhysics实现了和运动（速度）有关的所有逻辑，基于当前所处Zipline的Segment计算速度的向量，根据DeltaTime预测计算运动后的位置，并调用MovementTraceForBlocking检测运动路径上是否存在障碍，来驱动ZiplineStatus的切换。
例如当ZiplineStatus等于ZLS_CloseToEnd时，会触发PlayForwardImpact，这意味着角色已经到达了Zipline的另一端末尾（或者撞上障碍物）。我们需要结束Zipline状态。除此以外类似于这种状态式Move，还需要处理额外的一些打断行为，通过在一些回调中设置新的Move来退出ZiplineMove。
public partial class TdMove_ZipLine : TdPhysicsMove
{
// 到达目标点，0.8s后切换到Falling，结束Zipline
public virtual void PlayForwardImpact()
{
ZipLineStatus = TdMove_ZipLine.EZipLineStatus.ZLS_Impact;
PawnOwner.SetIgnoreLookInput(0.80f);
PawnOwner.SetIgnoreMoveInput(0.80f);
SetTimer(0.80f);
}
public override void OnTimer()
{
PawnOwner.SetMove(TdPawn.EMovement.MOVE_Falling);
}
// 死亡则退出Zipline
public override int HandleDeath(int Damage)
{
PawnOwner.SetMove(TdPawn.EMovement.MOVE_Falling);
return base.HandleDeath(Damage);
}
}
至此我们已经基本梳理整个Zipline的逻辑。在StillAlive中，楼梯、游泳等可以明确定义边界的区域，都被实现为PhysicsVolume的方式，相关的Move驱动逻辑也都和上文中的Zipline类似，便不再赘述。
TdMove_WallClimb
StillAlive中还有很多运动行为，更多和玩家物理环境有关。例如角色面前的障碍物的形状，它的高度和宽度，决定了角色面对这个障碍物所执行的行为，如果障碍物足够矮且宽，类似于栅栏，则执行跨越行为。如果是一面足够高的墙，则尝试攀爬墙面。当然这依然能够使用基于PhysicVolume的方式实现，只要在这个PhysicsVolume上标注这个障碍物的具体信息，甚至还能够以更省性能的方式实现相关功能。但是和梯子等物体不同，对于一款能够自由穿梭跑酷的游戏来说，能够翻越攀爬的障碍物到处都是，你很难管理遍布全图的PhysicVolume，所以更通用的一种方式是，在玩家移动的时候，通过一定的射线检测评估面前障碍物的形状，如果满足条件则尝试执行对应行为，这也正好是上文说的SetMove的第四种方式CheckAutoMoves，现在让我们进一步看看它的相关实现。
Physics物理运动
public virtual unsafe void startNewPhysics(FLOAT deltaTime, INT Iterations)
{
if ( (deltaTime < 0.0003f) || (Iterations > 7) )
return;
switch (Physics)
{
case PHYS_None : return;
case PHYS_Walking : physWalking(deltaTime, Iterations); break;
case PHYS_Falling : physFalling(deltaTime, Iterations); break;
case PHYS_Flying : physFlying(deltaTime, Iterations); break;
case PHYS_Swimming : physSwimming(deltaTime, Iterations); break;
case PHYS_Spider : physSpider(deltaTime, Iterations); break;
case PHYS_Ladder : physLadder(deltaTime, Iterations); break;
case PHYS_RigidBody : physRigidBody(deltaTime); break;
case PHYS_SoftBody : NativeMarkers.MarkUnimplemented(); break;
case PHYS_Interpolating: physInterpolating(deltaTime); break;
default:
setPhysics(PHYS_None);
break;
}
}
未完待续。。。
参考：