TODO:

  • 敌人可视视椎的构建以及 editor 和 runtime 时的可视化 ✅
  • 对控制角色在敌人三维视椎当中的判断✅
  • 对遮挡物后面的角色进行视椎遮挡剔除处理 ✅

构建敌人可视范围的视椎

画出视椎体

首先我们创建两个比较规范的接口：

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// IFov.cs
public interface IFov
{
    /// <summary>
    /// 垂直可视角度
    /// </summary>
    float FieldOfViewAngle { get; }
    /// <summary>
    /// 宽高比
    /// </summary>
    float Aspect { get; }
    
    /// <summary>
    /// 远平面距离
    /// </summary>
    float FarDistance { get; }
    float HorizontalAngle => FieldOfViewAngle * Aspect;
    float HalfVerticalAngle => FieldOfViewAngle / 2.0f;
    float HalfHorizontalAngle => HorizontalAngle / 2.0f;
}
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// ISightAware

/// <summary>
/// 具有意识到周围的视觉范围的能力
/// </summary>
public interface ISightAware
{
    // 后期这里应该是要改为 Bounds
    bool IsSight(Vector3 target);
}

接着我们去实现一个脚本，来存储这些数据，IsSight 是后面判断是否相交的。此处我们将视椎体的 Drawer 和其数据分开。

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// In FovDrawer.cs

[SerializeField]
[LabelText("FOV 组件")]
private FovSight fovSight;

private void OnDrawGizmos()
{
    Gizmos.color = Color.green;
    
    // 使用远平面距离算出实际每个点到起点的距离
    float dist = fovSight.FarDistance / Mathf.Cos(fovSight.HalfVerticalAngle * Mathf.Deg2Rad)
                                      / Mathf.Cos(fovSight.HalfHorizontalAngle * Mathf.Deg2Rad);
                                    
    Vector3 left = -transform.right;
    Vector3 up = transform.up;                      
    Vector3 originDir = transform.forward;
    Quaternion topQua = Quaternion.AngleAxis(fovSight.HalfVerticalAngle, left);
    Quaternion bottomQua = Quaternion.AngleAxis(-fovSight.HalfVerticalAngle, left);
    Quaternion rightQua = Quaternion.AngleAxis(fovSight.HalfHorizontalAngle, up);
    Quaternion leftQua = Quaternion.AngleAxis(-fovSight.HalfHorizontalAngle, up);

    Vector3 topLeftDir = topQua * leftQua * originDir;
    Vector3 topRightDir = topQua * rightQua * originDir;
    Vector3 bottomLeftDir = bottomQua * leftQua * originDir;
    Vector3 bottomRightDir = bottomQua * rightQua * originDir;
    
    Vector3 originPos = transform.position;
    Vector3 topLeftPos = originPos + topLeftDir * dist;
    Vector3 topRightPos = originPos + topRightDir * dist;
    Vector3 bottomLeftPos = originPos + bottomLeftDir * dist;
    Vector3 bottomRightPos = originPos + bottomRightDir * dist;
    
    Gizmos.DrawLine(originPos, topLeftPos);
    Gizmos.DrawLine(originPos, topRightPos);
    Gizmos.DrawLine(originPos, bottomLeftPos);
    Gizmos.DrawLine(originPos, bottomRightPos);
    
    Gizmos.DrawLine(topLeftPos, topRightPos);
    Gizmos.DrawLine(topRightPos, bottomRightPos);
    Gizmos.DrawLine(bottomRightPos, bottomLeftPos);
    Gizmos.DrawLine(bottomLeftPos, topLeftPos);
}

这里 FovSight 暴露出来是为了方便其在 editor 时期就得到 fov 组件。这时候看看效果：

runtime 时期的视椎体如果有需要可以使用 LineRenderer 绘制，此处逻辑和 Gizmos 当中的是一样的。

对控制角色在敌人三维视椎当中的判断

视椎体与 AABB 相交判断

此处使用最简单的 AABB 包围盒来介绍，通常，视椎体与包围盒会有三种关系：

  • 包围盒完全在视椎体内部
  • 包围盒完全在视椎体外部
  • 包围盒部分在视锥体内部（相交）

换算到我们敌人 AI 上面，那么只有两种情况：视椎可见 和 视椎完全不可见。但是也可以对其应用不同的粒度，比如包围盒完全在视椎体内才算感知到对方，当然这些都是后话。

前情提要这里为了方便，我对整个视椎只定义出了三个变量：

  • 垂直可视高度
  • 宽高比
  • 远平面距离

因此就导致其会只有五个面。我们也只需要判断这五个面。

如何判断某个点是否在视椎体内

要想知道某个点是否在视椎体内，那就需要知道某个点是否在某个平面内，此处在平面内指的是：点在平面法线的同一侧。

这个判断的办法也很简单，也就是使用法线和平面上一点表示出平面方程，代入对应点计算结果大于零，那么其就在平面的内部。

Ax+By+Cz+D=0Ax + By + Cz + D = 0

其中，平面法线就为（当然此处肯定得做归一化）：

normal⃗=(A,B,C)\vec{normal} = (A, B, C)

接着在实际代码中，看了下 unity 的 Plane，我觉得满足不了我的需求，因此我自己重新写了一个 FovPlane：

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/// <summary>
/// 专为敌人 AI 的 FOV 视椎提供的一个平面类
/// </summary>
public struct FovPlane
{
    private Vector3 normal;
    
    /// <summary>
    /// 平面方程的 D 系数，其余系数分别就是对应 [normal] x y z
    /// </summary>
    private float coefficientD;

    public Vector3 Normal => normal;

    /// <summary>
    /// 使用三个点构成一个平面，使用 ab cross ac 构建，注意 unity 为左手坐标系
    /// </summary>
    public FovPlane(Vector3 a, Vector3 b, Vector3 c)
    {
        Vector3 ab = b - a;
        Vector3 ac = c - a;
        normal = Vector3.Cross(ab, ac).normalized;
        coefficientD = -normal.x * a.x - normal.y * a.y - normal.z * a.z;
    }

    /// <summary>
    /// 判断一个点是否在平面的法线侧
    /// </summary>
    public bool OnNormalSide(Vector3 point)
    {
        return normal.x * point.x + normal.y * point.y + normal.z * point.z + coefficientD > 0.0f;
    }
}

此处容易注意的坑就是：unity 世界坐标是左手系，因此需要注意构建平面时三个点的顺序排布。

如何判断 AABB 包围盒是否在视锥体内部

我们很容易会想到，在 AABB 包围盒当中，八个点的坐标都在视椎体所以面之外不就可以了吗，但是请看下图：

图中的黄色方块，所有点都在视椎外部，但是其与视椎却是相交的。

那我们又想，所有点都在视椎同一个平面的外部，那包围盒肯定在视椎外部了吧。这次没错，但是反过来是错的。

图中橙色的方块，虽然所有点没有在同一个面的外部，但是它却在视锥体的外部。

如果是真正做渲染里面的视椎裁剪，那么会使用第二种办法，因为要在结果正确的前提下，做快速判断，那么肯定不能用第一种，第二种虽然会把多余数据传给 GPU，但是至少保证了正确性。

那还有没有更快的办法？肯定有。

我们根本不需要判断八个点。我们只需要找到两个点，一个是 AABB 离平面最近的顶点 p，一个是 AABB 离平面最远的顶点 n。其中：

  • 如果 p 在平面外侧可以说明这个 AABB 都在平面外侧
  • 如果 n 在平面内侧可以说明这个 AABB 都在平面内侧
  • 如果 p 在内侧，n 在外侧，那么说明相交

如何去找到这两个点？很简单，以下是一个（伪）代码示例，其中 normal 为平面法线：

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p = (xmin,ymin,zmin) 
if (normal.x >= 0) p.x = xmax; 
if (normal.y >=0) p.y = ymax; 
if (normal.z >= 0) p.z = zmax:

n = (xmax,ymax,zmax) 
if (normal.x >= 0) n.x = xmin; 
if (normal.y >=0) n.y = ymin; 
if (normal.z >= 0) n.z = zmin:

在我实际的项目当中就是这样实现的：

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// In FovSight.cs

public bool IsSight(Bounds bounds)
{
    var (topLeftPos, topRightPos, bottomLeftPos, bottomRightPos) = AllPoints;
    Vector3 originPos = transform.position;
    FovPlane[] fovPlanes =
    {
        new FovPlane(topLeftPos, topRightPos, bottomLeftPos),
        new FovPlane(originPos, topRightPos, topLeftPos),
        new FovPlane(originPos, topLeftPos, bottomLeftPos),
        new FovPlane(originPos, bottomLeftPos, bottomRightPos),
        new FovPlane(originPos, bottomRightPos, topRightPos)
    };
    foreach (FovPlane fovPlane in fovPlanes)
    {
        // the closet point to plane
        Vector3 p = new Vector3(
            fovPlane.Normal.x >= 0 ? bounds.max.x : bounds.min.x,
            fovPlane.Normal.y >= 0 ? bounds.max.y : bounds.min.y,
            fovPlane.Normal.z >= 0 ? bounds.max.z : bounds.min.z
        );
        if (!fovPlane.OnNormalSide(p))
            return false;
    }
    return true;
}

因为此处对于敌人 AI 的判断，只需要把相交和完全包裹包围盒都算成可以看到玩家，因此此优化到了只判断一个点即可。

接着我们写两个行为树的脚本来测试一下：

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// In FindPlayer.cs

public class FindPlayer : Conditional
{
    public SharedGameObject player;
    private ISightAware sightAware;
    private CharacterController cc;
    public override void OnAwake()
    {
        sightAware = GetComponent<FovSight>() as ISightAware;
        cc = player.Value.GetComponent<CharacterController>();
    }
    public override TaskStatus OnUpdate()
    {
        if (sightAware.IsSight(cc.bounds))
        {
            return TaskStatus.Success;
        }
        return TaskStatus.Failure;
    }
}
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// In ChangeLineColor.cs

public class ChangeLineColor : Action
{
    public Color color;
    private LineRenderer lineRenderer;
    public override void OnAwake()
    {
        lineRenderer = GetComponent<LineRenderer>();
    }
    public override TaskStatus OnUpdate()
    {
        lineRenderer.startColor = color;
        lineRenderer.endColor = color;
        return TaskStatus.Success;
    }
}

可以看到实际效果还是很棒的。（此处不知道为什么我 line renderer 莫名其妙又消失了，明天再研究吧）

一些踩坑记录

为什么我的 LineRenderer 修改颜色无效

对于缺失 shader 基础的我，这个问题确实困扰了我不少时间，在自己 google 以及多方查阅之下。本来我为 LineRenderer 使用的 material 是 Unity 内置的 Default-Line。但是其使用的 unity shader 并没有 _Color 这个属性，因此这也就是我们无法更改颜色的原因。

解决办法：自己创建一个 material，unity shader 使用内置的 Unlit/Color，这样就解决啦，要切换颜色只需要：

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// cache LineRenderer
private LineRenderer lineRenderer;

lineRenderer.sharedMaterial.SetColor("_Color", color);

行为树结构的修改

直接上图（和上面的图片所示架构还是有区别）：

如何设计一个比较通用的 FindTarget 节点

这里是我本人的一些拙见。

首先前情提要，FindTarget 节点主要是去获取其物体对应的 Bounds，那么这个通用指的就是，无需去关心这个 Bounds 到底是从什么组件上面获取的，Mesh ? Collider ? 抑或是 CharacterController， 都不需要关心，只需要知道这个物体能获取到一个 Bounds 就行了。

因此我想到了这样一个办法：通过挂载的 Mono 脚本将其这个 Bounds 暴露出来。下面是具体实现：

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// In IBounds.cs

public interface IBounds
{
    Bounds GetBounds();
}
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// In BoundsExposerBase

public abstract class BoundsExposerBase : MonoBehaviour, IBounds
{
    public abstract Bounds GetBounds();
}

首先是需要一个统一的接口 IBounds，接着我们需要一个 mono 基类 BoundsExposerBase，因为具体的实现肯定还是不一样的嘛。

接着我们就可以继承这个基类去实现各种特点的 Bounds Exposer 了。比如 cc：

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/// <summary>
/// BoundsExposer for Character Controller
/// </summary>
[RequireComponent(typeof(CharacterController))]
public class CcBoundsExposer : BoundsExposerBase
{
    private CharacterController cc;

    private void Awake()
    {
        cc = GetComponent<CharacterController>();
    }

    public override Bounds GetBounds()
    {
        return cc.bounds;
    }
}

最终在我们 FindTarget 脚本里面就会是如下这样的：

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public class FindTarget : Conditional
{
    public SharedGameObject target;

    private ISightAware sightAware;
    private IBounds boundsInterface;

    public override void OnAwake()
    {
        sightAware = GetComponent<FovSight>() as ISightAware;
        boundsInterface = target.Value.GetComponent<BoundsExposerBase>() as IBounds;
    }

    public override TaskStatus OnUpdate()
    {
        if (sightAware.IsSight(boundsInterface.GetBounds()))
        {
            return TaskStatus.Success;
        }
        return TaskStatus.Failure;
    }
}

FindTarget 只需要关心放进来的 target 有没有挂载一个 Bounds Exposer 就行了。

对完全被遮挡物遮挡的角色进行视椎遮挡剔除处理

试想一个场景：玩家在一个完全能遮挡其的墙体后面，即使在敌人的视觉视椎当中，是不是也不应该被感知到呢。这就是最后要处理的问题。

其实很简单，我们只需要在玩家的 aabb 上面找四个点，从敌人的位置打四条射线过去，然后判断中间是否会与特定 layermask 的物体相交。如果四个点都相交，则证明被完全遮挡。

直接上代码：

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private Vector3[] corners = new Vector3[4];
private RaycastHit[] raycastResults = new RaycastHit[5];

[LabelText("不可感知物体")] 
[InfoBox("注：此为不可感知物体的 LayerMask，会遮挡可感知物体，为了避免后续可能更改 LayerMask 的顺序，此处没有硬编码")]
public LayerMask imperceptibleLayerMask;

/// <summary>
/// 是否被其它不可感知的 bounds 完全遮挡
/// </summary>
private bool IsObstructedByImperceptibleBounds(Bounds bounds)
{
    corners[0] = bounds.min;
    corners[1] = new Vector3(bounds.min.x, bounds.min.y, bounds.max.z);
    corners[2] = new Vector3(bounds.min.x, bounds.max.y, bounds.min.z);
    corners[3] = bounds.max;

    foreach (Vector3 corner in corners)
    {
        Vector3 direction = (corner - transform.position).normalized;
        float distance = Vector3.Distance(transform.position, corner);

        int hitCount = Physics.RaycastNonAlloc(transform.position, direction, raycastResults, distance,
            imperceptibleLayerMask);

        // No ImperceptibleBounds
        if (hitCount == 0)
        {
            return false;
        }
    }

    return true;
}

其实此处 aabb 的四个点我也是让 GPT 找的，无伤大雅，精确度不会差太多。

其实这个部分被我想难了很多，比如我想过把两个 aabb 拿来对比其 xyz 的坐标远近。但是这个方案会有两个问题：

  • 如何去存储所有标明了不可被感知的 bounds，存储了之后，如何让各个模块之间访问变量也是问题。因为这个方案最开始我还做了一个 Model 层，然后使用 qf 的 Controller 来获取数据。这是很繁琐而且会占用内存的，如果场景中遮挡物多了之后。
  • 到底如何去评定这个 xyz 轴坐标的远近关系，比如如何我的敌人看向 z轴，那么对于被遮挡物来说，我的 xy 轴坐标数值应该是相对来说应该小一点，那么 z 轴坐标数值应该相对来说大一点。但是这个相对关系，是根据敌人看向的向量来决定的，具体如何去决定，我觉得很繁琐（甚至想了一些投影相关的东西）。

参考：