第三人称物理相机

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本文讲解了一种第三人称物理相机的实现思路。

前言

第三人称相机虽然说是以第三人称视角锁定角色，但是其表现形式也不尽相同，比如UE5中创建的默认第三人称模板中，相机只会随着角色的平移而平移，但是在很多游戏中，在角色进行平移时，相机还会有旋转操作，如图1所示：

图1 - 左侧是随着角色移动进行平移的相机，右侧是随着角色移动进行旋转的相机。

另外，由于第三人称相机的特性，相机本身也是一个独立的物体，因此可能出现相机与目标之间出现其他阻挡物，而如果不处理这种情况，这个时候目标就会被阻挡物挡住，图2展示了这种可能：

图2 - 相机被阻挡或者相机进入了其他物体

遇到这种情况的大部分处理方式是将相机放置到一个”合理”的仍然能看到角色的位置，如图3所示：

图3 - 将相机放到合理位置

这种处理方式至少不会让玩家看不到目标，但是也有可能导致相机与角色距离过近，让玩家近乎占满整个屏幕，但是这种做法更加符合物理，因此一般也称为物理相机。

也有少数游戏的做法，是将所有阻挡物改为半透明，让玩家仍然能在理想的距离下观察到目标，也有用XRay来显示被阻挡的角色的轮廓等实现方式。

本文主要阐述一下个人对物理相机的一些实现思路。

基本定义

首先要实现这样一个相机，我们需要一个相机控制器，所有相机相关的移动会在控制器中实现。

那么控制器需要定义哪些可调整参数呢？

  • 偏移offset：默认情况下会认为相机是看向目标位置的，不过为了更通用一些，我们可以添加一个偏移offset来调整相机实际观察的位置，也就是相机最终看向的点是：

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    Vector3 lookingAt = target.position + offset;

  • 理想距离ideal_distance：这个就是定义的相机与目标的距离，如果不考虑相机的弹性效果，那么相机将始终与目标保持这个距离，但是一般为了让相机的效果更加出色，会给相机添加“弹性”。

以上两个参数非常基本，接下来先来看一下相机的视角，如图4所示：

图4 - 相机的Yaw,Pitch,Roll

其中Yaw表示你摇头的方向，Pitch表示你点头的方向，Roll表示你摆头的方向。大部分情况下，我们只需要用到Yaw和Pitch(因为角色一般都是沿着重力方向站着的，即使站在斜坡上)，少数特殊情况中会用到Roll(比如角色沿着法线方向站立)，不过这里我们只考虑Yaw和Pitch。

Yaw和Pitch的更新一般通过鼠标滑动或者右摇杆来控制，而这两种输入都可以理解成一个二维的矢量，其中横轴用于控制Yaw，纵轴用于控制Pitch。

一般情况下，并不会对Yaw的范围做限制，也就是Yaw的范围就是-180度到180度，而Pitch会做限制，因为你抬头或者低头的时候应该是做不到超过某个角度的吧。

综上所述，下面整理出和视角相关的参数。

  • min_pitch：指相机能到达的最小Pitch，范围一般在-90度到0度之间。
  • max_pitch：指相机能到达的最大Pitch，范围一般在0度到90度之间。
  • yaw_speed：指相机进行Yaw旋转时的速度。
  • pitch_speed：指相机进行Pitch旋转时的速度。

另外一个可选的功能则是刚才有提到过的“弹性”，其实很多游戏中，相机会随着角色的跑动适当拉远或靠近，这样每次角色在开始跑动或者停止跑动时带来一种弹性的感觉，因为我不会截动图，可以自己去观察一些游戏中相机的表现，简而言之就是，如果角色朝前跑动，那么相机会有个往外弹的感觉，相反如果角色朝后跑动，那么相机会有个往内弹的感觉，如图5所示：

图5 - 相机的弹性移动

这里我们可以定义一个速度的阈值，如果目标的速度超过这个阈值，则相机开始产生弹性。

  • speed_threshold：相机发生弹性的参考速度。
  • bounce_duration：弹性从发生到停止所需时间，一般是一个较小的值。
  • bounce_distance：弹性发生的距离(假设内外一致)。

这里再简述一下过程，如果角色在相机正向的投影速度超过speed_threshold，则相机往后产生弹性，反之如果角色在相机背面的投影速度超过speed_threshold，则相机往前产生弹性，其他情况则会尝试复原回原本的理想距离。

至此，一些可调整参数就定义完毕了，接下来讲一下我的实现。

实现思路

虽然听起来逻辑有点复杂，但实际上可以建立一个非常简单的模型来实现这些功能，首先假想目标周围有一个球面，球面的半径假设为sphere_radius，而相机的最终位置就会落在这个球面上(没有阻挡时)，那么如果以相机的观察点为起点往外发射射线(射线的方向向量为相机当前的背面方向)，射线长度为sphere_radius，此时如果发生了碰撞，那么就将相机置于碰撞点，否则就将相机置于球面相交点，如图6所示：

图6 - 左侧无碰撞，右侧有碰撞。

因此，我们维护一个当前的相机朝向向量camera_direction，当出现视角输入时，我们只需要旋转这个朝向向量(注意设置的视角限制)，然后做一次射线检测即可计算出相机的正确位置。

在角色移动时，根据你选择的是旋转策略还是平移策略，由于平移策略不需要旋转相机，因此比较简单，如果是旋转策略，则需要计算角色与相机在xz平面上的新向量，因为角色的高度可能发生变化，但是我们不希望Pitch受到角色高度的影响，因此只需要计算xz平面上的分量，然后再与原来的y分量(Pitch分量)合并成新的朝向向量即可。

在裁剪Pitch时，可以简单使用asin(camera_direction.y)得到当前向量的Pitch值，将其裁剪后再绕右向量旋转(始终在Local Space内旋转)。

因此我们定义了一个更新相机的函数update_camera()，输入为sphere_radius, camera_direction，输出为相机位置。

那么很显然，如果不考虑弹性的情况下，sphere_radius应该始终是ideal_distance。

而发生弹性时要做的事就很简单了，我们只需要根据目标当前的速度在camera_direction上的投影值来判断弹性方向，我的做法是维护一个累加器来动态增减弹性参数：

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Vector3 velocity = trackingNode->get_velocity();
real_t projection = velocity.dot(_cameraForward);
if (projection > _bounceSpeed) {
    _bouncingAcc = Math::min(real_t(_bouncingAcc + dt), _bounceDuration);
} else if (projection < -_bounceSpeed) {
    _bouncingAcc = Math::max(real_t(_bouncingAcc - dt), -_bounceDuration);
} else if (_bouncingAcc > 0.0) {
    _bouncingAcc = Math::max(real_t(_bouncingAcc - dt), DECIMAL_CORRECTION(0.0));
} else if (_bouncingAcc < 0.0) {
    _bouncingAcc = Math::min(real_t(_bouncingAcc + dt), DECIMAL_CORRECTION(0.0));
}

将_bouncingAcc除以_bounceDuration后就可以得到一个-1到1范围的值(正负表示弹性方向)，这样我们就可以选择不同的插值方式来更新sphere_radius，然后再update_camera()即可。

总结

实现方式当然多种多样，我所阐述的也只是我所能想到的比较容易理解的模型了。

具体的相机逻辑还是要根据自己的游戏类型去定义，这里我只是提供了一种较为常用的实现方式。