射擊游戲里的子彈是如何飛行的

賈浩楠 2020-05-04 14:31:36 來源：量子位

曉查 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

從第一款FPS游戲《德軍總部3D》出現(xiàn)以來，這種類型的游戲廣受好評，創(chuàng)新的玩法也層出不窮，比如“吃雞”。

△?第一款FPS游戲《德軍總部3D》

但是你知道游戲里的子彈是怎么飛行的嗎？

早期，它和現(xiàn)實世界中的子彈完全不一樣，很多玩家合理地利用了這個bug，比如CS里的甩狙。

隨著PC運(yùn)算能力的提高，子彈的算法也在不斷進(jìn)步，彈道的效果越來越真實。

最近一位軟件工程師Tristan Jung在游戲論壇上總結(jié)了FPS游戲的一些子彈軌跡算法。讓我們一起來看看FPS游戲這二十多年來發(fā)生的變化。

擋住射線的都會死

早期的FPS游戲都采用一種“光線投射”（ray casting）的技術(shù)，用槍口發(fā)射出去的射線來確定子彈的軌跡。光線投射可以確定與光線相交的第一個對象。

在FPS里，這種算法叫做“命中掃描”（hitscan），當(dāng)你扣下扳機(jī)時，物理引擎會計算下面幾件事：

• 槍口所指的方向；
• 從槍口射出一束射線，直到達(dá)到規(guī)定的范圍，比如碰到墻；
• 確定光線投射的路徑上是否光線是否撞擊物體。

如果引擎發(fā)現(xiàn)你有物體擋住了子彈的路徑，就是通知系統(tǒng)該物體被擊中。

△?方塊擋在了子彈A射向B的路徑，引擎告知方塊已被擊中

hitscan的核心很簡單，至于物體被子彈擊中后的下一步邏輯是什么，可以根據(jù)游戲要求定義：

1、如果允許子彈穿透，那么它將穿透路線上的所有物體；

2、消除最大的射線范圍，就可以一直發(fā)射出激光，直到命中物體為止；

3、將某些表面設(shè)置為具有反射性，可以將子彈彈開。

使用hitscan算法，最大的好處是計算簡單快速，不需要額外的內(nèi)存或處理時間即可構(gòu)建新的物理對象。這也意味著在多人游戲時，所需的網(wǎng)絡(luò)資源也最少。

因此，行業(yè)中的許多游戲都將hitscan用作射擊算法也就不足為奇了。

不僅《德軍總部3D》和《毀滅戰(zhàn)士》這些經(jīng)典游戲采用，連近年來的一些熱門游戲也是。比如《守望先鋒》、《使命召喚》里的一些武器即是采用hitscan算法。

但是hitscan還是存在著一些缺陷。

首先，子彈的速度是無限的，比光速還快，瞬間到達(dá)被擊中的物體。即使你離目標(biāo)很遠(yuǎn)，只要你開槍的一瞬間，對手在準(zhǔn)星上，就必死無疑。

△?扣動扳機(jī)和目標(biāo)上的火光同時出現(xiàn)，說明子彈是瞬間擊中

其次，子彈的路徑是直線，沒有考慮風(fēng)向、重力等因素，即使在建模的時候把路徑改成曲線，但是在子彈射出后也無法更改路徑。

為了讓射擊游戲更真實，就需要使用另一種方法。

給子彈加上彈道

這個算法聽起來很花哨，其實很簡單。

武器射出的每顆子彈，都會在環(huán)境中創(chuàng)建一個新的物理對象，有著自己的質(zhì)量、速度和引擎要計算的命中框。

由于每個彈丸都是獨(dú)立存在的，因此可以考慮風(fēng)力、摩擦、重力和溫度等因素。任何作用在子彈上的力都會改變其方向。

而且在這種算法下，子彈不會瞬間移動，還可以實現(xiàn)以下功能：

1、在一些游戲中有“子彈時間”特效；

2、如果長距離狙擊移動目標(biāo)，需要提前目標(biāo)的估計移動量；

3、實現(xiàn)榴彈等爆炸物的延遲爆炸。

但是在進(jìn)行多人游戲時，服務(wù)器將需要做更多的計算，來確保所有對象都同步，并且必須解決不同客玩家之間的差異或沖突，以免在同一臺服務(wù)器上給玩家?guī)聿灰恢碌捏w驗。

一個方法是，在游戲時間之前加載對象的“池”，并在需要時“彎曲并啟用”它們。一旦撞擊到物體表面，就回收這個對象，將其保存以備后用。

這種方法將減少反復(fù)創(chuàng)建和銷毀對象的計算和內(nèi)存成本。

至于游戲時間的同步，存在著多種計算方法：

1、時間是與渲染分開計算，即使存在跳幀，游戲也能精確地表示對象。這種方法需要計算自上次渲染之后經(jīng)過的確切時間。

2、計算每一幀的時間，將物理引擎綁定到幀速率。如果禁用幀速率上限，或開始丟幀，則會看到加速或卡頓的效果。

而且，這種算法在子彈速度足夠快時，可能會遇到對象彼此“互穿”的情況，盡管它們在引擎中從未重疊。

混合系統(tǒng)

有沒有辦法結(jié)合了以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)呢？答案是有的。

最簡單的辦法就是不同武器使用不同的引擎。

大多數(shù)FPS游戲引擎可以處理兩種類型的子彈模擬。這樣就可以選擇擁有各種各樣的武器?！秱b盜獵車手》和《半條命》等游戲都具有可以支持兩種物理類型的武器。

比如《光環(huán)》中的突擊步槍使用命中掃描引擎，而刺針槍使用子彈彈道模型。

游戲開發(fā)人員還可以混合使用兩種技術(shù)來彌補(bǔ)每個系統(tǒng)的弱點(diǎn)，從而提供更加逼真的體驗。

例如，要解決物體從彈道互穿的問題，可以在引擎的每個時刻上繪制子彈射線，查看射線是否會相交。

也可以混合兩種算法以增強(qiáng)游戲的功能。

《狙擊精英》系列就是一個很好的例子?？蹌影鈾C(jī)后，引擎將使用hitscan來確定子彈是否足夠靠近目標(biāo)以觸發(fā)慢動作。如果結(jié)果為true，引擎將在子彈時間內(nèi)計算彈道。

參考鏈接：https://www.gamasutra.com/blogs/TristanJung/20191206/355250/How_Do_Bullets_Work_in_Video_Games.php