在Unity实现角色攀爬

前言

开放世界类型的游戏近年也热门起来了，自由攀爬也成了这一类游戏的一大特色。攀爬给了玩家更多探索路径的选择，也让地图设计有了更多思路。这次，我们就来尝试在Unity中制作一个人形角色的攀爬。

注：攀爬是一个角色完整动作系统的一部分，本文暂且抛开其它动作，也不涉及动画，仅针对攀爬逻辑的实现这一点。

主要实现

首先，我们要意识到，游戏中的攀爬行为已经与物理系统没有太大关系了。在攀爬时，角色实际上进入了一种“悬浮”状态，然后贴着墙面运动。攀爬系统要做好，就在于如何能让角色贴着墙面运动。

或许说到这，你脑海里已经想到了很多千奇百怪的攀爬面，但其实，任何攀爬面只要能抓住其法线，一切都好解决很多了：

先写一个辅助函数，将向量投影在某一法线所属平面（得到的就是那条深蓝色向量）：

/// <summary>
/// 获取向量在某一平面的投影
/// </summary>
/// <param name="vector">要投影的向量</param>
/// <param name="planeNormal">平面的法线（需归一化）</param>
/// <returns>在平面的归一化投影向量</returns>
public static Vector3 GetProjectOnPlane(Vector3 vector, Vector3 planeNormal)
{
    return (vector - planeNormal * Vector3.Dot(vector, planeNormal)).normalized;
}

如果能获取攀爬面的法线，我们就可以将角色的运动方向转化为在攀爬面上的运动方向：
```
var newXAxis = GetProjectOnPlane(xAxis, contactNormal);
var newZAxis = GetProjectOnPlane(zAxis, contactNormal);
```

那现在的问题就在于如何准确获取攀爬面的法线？或许你会想到用射线检测，但遇到内角与外角的情况又该如何检测呢：

难不成要换成其它形状的碰撞检测？其实没必要这么麻烦，我们完全可以利用角色自身的碰撞体接触来判断。大多数情况下，人形角色都是使用Capsule Collider（胶囊体碰撞盒），能较“均匀”地触碰接触面，比如在接触到内直角的情况下，将所有接触点的法线累加再求平均，得到的平均法线向量是接近45度，这是胶囊体曲面性质导致的。

private void OnCollisionEnter (Collision collision) 
{
    sensor.EvaluateCollision(collision);
}
private void OnCollisionStay(Collision collision)
{
    sensor.EvaluateCollision(collision);
}

/// <summary>
/// 在OnCollisionEnter和OnCollisionStay中调用，用于获取接触到的碰撞有效信息
/// </summary>
/// <param name="other">接触的碰撞体</param>
public void EvaluateCollision(Collision collision)
{
    int layer = collision.gameObject.layer;
    for(int i = 0; i < collision.contactCount; ++i) //检查接触点类型并记录对应类型的法线
    {
        Vector3 normal = collision.GetContact(i).normal;
        float upDot = Vector3.Dot(upAxis, normal);
        //如果当前可以攀爬、攀爬面层级为可攀爬层级、攀爬面的倾斜角度未超过最大攀爬角度
        if(isAllowedClimb && ((1<<layer) & climbMask) != 0 && upDot >= minClimbDot)
        {
            ++climbContactCnt; //统计接触点数量，便于后续求平均
            climbNormal += normal; //累加攀爬法线，便于后续求平均
            lastClimbNormal = normal;
        }
    }
}

/// <summary>
/// 检测攀爬并更新、归一化攀爬法线，攀爬时调用
/// </summary>
/// <returns>true为可攀爬，false为不可攀爬</returns>
public bool CheckClimb()
{
    if(IsClimbing)
    {
        if(climbContactCnt > 1)
        {
            climbNormal.Normalize();
            //如果处于裂缝中（四周攀爬面法线和为地面），就取检测到的最后一个面为攀爬面
            var upDot = Vector3.Dot(upAxis, climbNormal);
            if(upDot >= minGroundDot)
            {
                climbNormal = lastClimbNormal;
            }
        }
        contactNormal = climbNormal;
        return true;
    }
    return false;
}

这里提两点：

为什么upDot >= minClimbDot可以用来判断是否更倾斜？
在往期文章中，我有提到过：假设法线的长度都为1，可以发现当地面越来越陡峭时，法线在竖直方向上的投影，也就是它的cos值会越来越小，直到地面完全垂直（变成墙壁）时，这个值会变成0。所以，只要事先将「可攀爬的最大角度」的cos值算出，我们就能将角度的比较转为数值的比较。
```
[SerializeField, Range(90, 180), Tooltip("最大攀爬角度")]
private float maxClimbAngle = 140f;

minClimbDot = Mathf.Cos(maxClimbAngle * Mathf.Deg2Rad);
```
为什么要记录lastClimbNormal？
这是为了防止类似下图这种情况，角色接触面法线的平均为Vector3.zero，此时角色将爬不动，故将「最后接触到的那条法线」作为攀爬面法线。

上述这些就已经能接近内角的问题了，但外角还需要一点额外处理——挤压，攀爬时向角色持续施加一个沿着法线向墙面的力：

float maxClimbAcceleration = 40f;//攀爬时的加速度
//用于攀爬外墙角时贴紧墙面
Velocity -= contactNormal * (0.9f * maxClimbAcceleration * Time.fixedDeltaTime);

取90%的攀爬运动的加速度作为这个力的大小，可以保证挤压力不让角色动弹不得。现在，内外角的攀爬就没有太大问题了（红色的是接触面法线）：

额外调整

然而，事情并没有结束。攀爬时我们通常还会让角色始终面向攀爬面，这就需要我们在攀爬时适时旋转角色，这也不困难：

public void ClimbForward() //旋转以面向攀爬墙面
{
    if(sensor.climbNormal != Vector3.zero)
    {
        var forwardQ = Quaternion.LookRotation(-climbNormal, upAxis);
        transform.rotation = forwardQ;
    }
}

而一旦这么做了，那么当你尝试攀爬以下形状的面，会发现角色频频抽搐、退出攀爬状态：

为什么会这样？我们来分析下这个过程：

角色沿着墙面向上爬，一切正常
当角色顶部接触到上斜面时，计算出的法线发生了改变，角色也要进行旋转以面向新法线
问题就发生在这里，角色是胶囊体，在旋转后可能就与墙面冲突了。而且旋转后接触墙面的区域也变了，法线又发生了变化，而法线一旦变化，角色又得旋转，而一旦旋转后……

不难看出，罪魁祸首其实是胶囊体（攀爬的实现逻辑不改变的话(。・ω・。)）！胶囊体横向旋转时势必会影响接触区域，导致计算出的法线变化，从而带来一系列问题。除非你的角色是个球形的，这样，随便旋转都不会影响接触区域了……

是啊！不妨仅在攀爬时将角色的碰撞体进行「变形」，从胶囊体变为球体：

private void SetClimbCollider(bool isClimbing)
{
    if(isClimbing)//正在攀爬时，将胶囊体的高度设为0，就变球体了
    {
        playerCollider.height = 0;
        playerCollider.radius = climbColliderRadius;
        playerCollider.center = climbColliderCenter;
    }
    else //退出攀爬时，将参数还原以变回原本的胶囊体
    {
        playerCollider.height = colliderHeight;
        playerCollider.radius = colliderRadius;
        playerCollider.center = colliderCenter;
    }
}

除了将胶囊体高度设为0，我们还适度增加了胶囊体半径，以及将中心偏移，通常是改成能覆盖角色上半身的情况 ~~攀爬时，腿真的不重要了~~ ：

万事大吉了吗？还差一步，仍是旋转的问题。

一般的人形角色的根物体位置只是角色底部中心处，平时涉及的运动也是围绕这个点进行的，但如今我们想要角色能绕调整后的球形碰撞体的球心旋转，因为只是绕根位置旋转，很可能让角色失去碰撞接触（示意图中，将角色模型简化成了棒棒糖形状）：

这就相当于将根物体位置改为球心了呀，这还有点麻烦，毕竟会干扰原本的运动逻辑。除非有什么巧妙的旋转策略，鄙人倒是有个想法，定然不是最好的，大家如果自己有思路，也可以跳过这段，代码如下：

//绕攀爬时的球心（攀爬时胶囊体会变成球体）旋转，以面向攀爬墙面
public void ClimbForward() 
{
    /*总体思路: 先绕根位置旋转以调整面朝的方向，但旋转点并不是球心
    只是这样旋转的话，必定会让球心偏离原来位置，
    所以要让playerTransform补回那段距离，以让球心回到旋转前的位置
    这样就实现了：既朝向了攀爬法线，球心位置又不改变 = 绕球心旋转*/
    if(sensor.climbNormal != Vector3.zero)
    {
        var originCenter = playerTransform.position + playerTransform.up * playerCollider.center.y;
        var forwardQ = Quaternion.LookRotation(-sensor.climbNormal, sensor.upAxis);
        playerTransform.rotation = forwardQ;
        var newCenter = playerTransform.position + playerTransform.up * playerCollider.center.y;
        playerTransform.position += originCenter - newCenter;
    }
}