Unity Avatar Cover System - 如何实现一个Avatar角色的智能掩体系统

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简介

本文介绍如何在Unity中实现一个Avatar角色的智能掩体系统，效果如图所示：

初版1.0.0代码已上传至SKFramework框架Package Manager中：

变量说明

• Cover Layer Mask：掩体物体的Layer层级
• Shortcut Key：进入、退出掩体状态的快捷键
• Box Cast Size：寻找掩体所用物理检测的Box大小
• Box Cast Num：寻找掩体所用物理检测的Box数量（maxDistance = boxCastSize * boxCastNum）
• Stand 2 Cover Speed：切换至掩体状态的移动速度
• Cover 2 Stand Speed：退出掩体状态的移动速度
• Stand 2 Cover Time：切换至掩体状态的时长（动画时长决定）
• Cover 2 Stand Time：退出掩体状态的时长（动画时长决定）
• Sneak Speed：掩体状态下移动的速度
• Direction Lerp Speed：左右方向的插值速度
• Head Radius：头部的半径 用于物理检测 未检测到碰撞时身体高度向下调整 并启用脚部IK
• Head Down Cast Count Limit：头部下方物理检测的次数限制（每次下降一个半径的单位进行检测）
• Ground Layer Mask：地面的Layer层级 用于脚部IK检测地面
• Body Position Lerp Speed：身体高度插值的速度
• Foot Position Lerp Speed：脚部IK插值的速度
• Raycast Distance：脚部IK检测用的距离
• Raycast Origin Height：脚部IK检测的高度

实现

动画准备

• Mixamo：动作文件全部是在Mixamo网站上下载的：

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• Humanoid：Animation Type设为Humanoid人形动画：

• Animation：调整相关设置：

Root Transform Rotation Offset：此处设为-180，目的为了调整朝向，使其与Stand2Cover、Cover2Stand等动画连贯。

动画状态机

• Animator Parameters：添加相关参数：
  • Stand2Cover：bool类型，用于进入、退出掩体状态；
  • Cover Direction：float类型，用于控制左右方向的混合树；
  • Cover Sneak：float类型，用于控制移动的混合树。
• Sub-State Machine：创建一个子状态机，用于处于Cover相关状态：

Cover子状态机中添加Stand2Cover、Cover2Stand动画状态及Cover Direction混合树：

Cover Direction混合树：包含Cover Left、Cover Right子混合树，两个子混合树又分别包含其对应方向的Idle和Sneak动画。Cover Direction参数用于控制进入Cover Left还是Cover Right，Cover Sneak参数用于控制Idle和Sneak之间的混合：

• IK Pass：启用对应层级的IK Pass通道，计算脚部IK所需：

State 状态

定义相关状态：

• None：未在任何状态；
• Stand2Cover：正在切换至掩体状态（切换过程）
• IsCovering：正处于掩体状态
• Cover2Stand：正在退出掩体状态（切换过程）

public enum State
{
    
    
    None, //未在任何状态
    Stand2Cover, //正在切换至掩体状态
    IsCovering, //正处于掩体状态
    Cover2Stand, //正在退出掩体状态
}
//当前状态
private State state = State.None;

/// <summary>
/// 当前状态
/// </summary>
public State CurrentState
{
    
    
    get
    {
    
    
        return state;
    }
}

None

未处于任何状态时，向身体前方进行BoxCast物理检测寻找掩体，当检测到掩体时，按下指定快捷键则进入Stand2Cover切换过程：

//未处于掩体状态
case State.None:
    {
    
    
    //Box检测的中心点
    Vector3 boxCastCenter = transform.position + transform.up;
    //最大检测距离
    float maxDistance = boxCastSize.z * boxCastNum;
    //向身体前方进行Box检测 寻找掩体 
    castResult = Physics.BoxCast(boxCastCenter, boxCastSize * .5f, transform.forward, out hit, transform.rotation, maxDistance, coverLayerMask);
    //调试：法线方向
    Debug.DrawLine(hit.point, hit.point + hit.normal, Color.magenta);

    //检测到掩体
    if (castResult)
    {
    
    
        //按下快捷键 进入掩体状态
        if (Input.GetKeyDown(shortcutKey))
        {
    
    
            //正在切换至掩体状态
            state = State.Stand2Cover;
            //播放动画
            animator.SetBool(AnimParam.Stand2Cover, true);
            //禁用其他人物控制系统
            GetComponent<AvatarController>().enabled = false;
            //默认右方（动画Stand2Cover默认右方）
            targetCoverDirection = 1f;
            //启用脚部IK
            enableFootIk = true;
            bodyYOffset = 0.04f;
        }
    }
}
break;

Stand To Cover

切换至掩体状态的过程中，向RaycastHit中的法线反方向移动，移动到掩体前方：

case State.Stand2Cover:
{
    
    
    //计时
    stand2CoverTimer += Time.deltaTime;
    if (stand2CoverTimer < stand2CoverTime)
    {
    
    
        //向法线反方向移动 到掩体前
        cc.Move(-hit.normal * Time.deltaTime * stand2CoverSpeed);
        //朝向 面向法线方向
        transform.forward = Vector3.Lerp(transform.forward, -hit.normal, Time.deltaTime * stand2CoverSpeed);
    }
    else
    {
    
    
        //重置计时器
        stand2CoverTimer = 0f;
        //切换完成 进入掩体状态
        state = State.IsCovering;
        bodyYOffset = 0.02f;
    }
}
break;

Is Covering

在掩体状态时，获取用户Horizontal水平方向上的输入，通过输入控制Avatar转向左侧或右侧并进行Sneak移动：

//获取水平方向输入
float horizontal = Input.GetAxis("Horizontal");
//目标方向 输入为负取-1 为正取1
if (horizontal != 0f)
{
    
    
    targetCoverDirection = horizontal < 0f ? -1f : 1f;
    castResult = Physics.BoxCast(transform.position + transform.up, boxCastSize * .5f, transform.forward, out hit, Quaternion.identity, boxCastSize.z * boxCastNum, coverLayerMask);
    Debug.DrawLine(hit.point, hit.point + hit.normal, Color.magenta);
    cc.Move(-hit.normal * sneakSpeed * Time.deltaTime);
    transform.forward = Vector3.Lerp(transform.forward, -hit.normal, Time.deltaTime * stand2CoverSpeed);
}
//方向插值运算
coverDirection = Mathf.Lerp(coverDirection, targetCoverDirection, Time.deltaTime * directionLerpSpeed);
//动画 方向
animator.SetFloat(AnimParam.CoverDirection, coverDirection);
//动画 掩体状态行走
animator.SetFloat(AnimParam.CoverSneak, Mathf.Abs(horizontal));
//通过输入控制移动
cc.Move(horizontal * sneakSpeed * Time.deltaTime * transform.right);

按下快捷键时，退出掩体状态：

animator.SetBool(AnimParam.Stand2Cover, false);
state = State.Cover2Stand;

Cover To Stand

退出掩体状态的过程中，向身体后方移动：

//计时
cover2StandTimer += Time.deltaTime;
cover2StandTimer = Mathf.Clamp(cover2StandTimer, 0f, cover2StandTime);
if (cover2StandTimer < cover2StandTime)
{
    
    
    //后移
    cc.Move(cover2StandSpeed * Time.deltaTime * -transform.forward);
}
else
{
    
    
    //重置计时器
    cover2StandTimer = 0f;
    state = State.None;
    //启用其他人物控制脚本
    GetComponent<AvatarController>().enabled = true;
}

高度适配

如图所示，当掩体的高度降低时，角色会逐渐下蹲调整高度，实现该功能一方面需要在头部进行物理检测，另一方面需要启用脚部的IK。

高度检测

高度检测贯穿于Stand2Cover和IsCovering状态中，注意观察下图中红色球的变动，当SphereCast球形检测在初始高度未检测到掩体时，会下降一个球半径的单位再次进行检测，如果在限制次数中都未检测到掩体，则退出掩体状态，如果检测到掩体，则获取碰撞点和初始高度的delta差值，该差值就是身体要下降的高度：

//头部物理检测的初始点
headSphereCastOrigin = transform.position + Vector3.up * headOriginPosY + transform.right * targetCoverDirection * headRadius * 2f;
//向前方进行球形检测（掩体状态下前方就是后脑勺的方向）
headCastResult = Physics.SphereCast(headSphereCastOrigin, headRadius, transform.forward, out RaycastHit headHit, coverLayerMask);
int i = 0;
if (!headCastResult)
{
    
    
    for (i = 0; i < headDownCastCountLimit; i++)
    {
    
    
        //每次下降一个半径的单位进行检测
        headSphereCastOrigin -= Vector3.up * headRadius;
        headCastResult = Physics.SphereCast(headSphereCastOrigin, headRadius, transform.forward, out headHit, coverLayerMask);
        if (headCastResult) break;
    }
}
if (headCastResult)
{
    
    
    Debug.DrawLine(headSphereCastOrigin, headHit.point, Color.green);
    float delta = headOriginPosY - headHit.point.y;
    targetBodyPositionY = originBodyPositionY - delta - headRadius;
    Debug.DrawLine(headSphereCastOrigin, headSphereCastOrigin - Vector3.up * (delta + i * headRadius), Color.red);
}

检测的位置受Cover Direction方向影响，当处于Cover Left时，会在头部左侧一定单位进行检测，相反，处于Cover Right时，会在头部右侧一定单位进行检测：

获取到身体要下降的高度后，在OnAnimatorIK函数中调整Animator组件的bodyPosition属性：

Vector3 bodyPosition = animator.bodyPosition;
bodyPosition.y = Mathf.Lerp(lastBodyPositionY, targetBodyPositionY, bodyPositionLerpSpeed);
animator.bodyPosition = bodyPosition;
lastBodyPositionY = animator.bodyPosition.y;

脚部IK

单纯的下调身体高度会导致脚穿模到地面以下，因此需要启用脚部IK，不断调整脚的位置，脚部IK在前面的文章中有介绍，这里不再详细说明，代码如下：

private void FixedUpdate()
{
    
    
    //未启用FootIK or 动画组件为空
    if (!enableFootIk || animator == null) return;

    #region 计算左脚IK
    //左脚坐标
    leftFootPosition = animator.GetBoneTransform(HumanBodyBones.LeftFoot).position;
    leftFootPosition.y = transform.position.y + raycastOriginHeight;

    //左脚 射线检测
    leftFootRaycast = Physics.Raycast(leftFootPosition, Vector3.down, out RaycastHit hit, raycastDistance + raycastOriginHeight, groundLayerMask);
    if (leftFootRaycast)
    {
    
    
        leftFootIkPosition = leftFootPosition;
        leftFootIkPosition.y = hit.point.y + bodyYOffset;
        leftFootIkRotation = Quaternion.FromToRotation(transform.up, hit.normal);
#if UNITY_EDITOR
        //射线
        Debug.DrawLine(leftFootPosition, leftFootPosition + Vector3.down * (raycastDistance + raycastOriginHeight), Color.yellow);
        //法线
        Debug.DrawLine(hit.point, hit.point + hit.normal * .5f, Color.cyan);
#endif
    }
    else
    {
    
    
        leftFootIkPosition = Vector3.zero;
    }
    #endregion

    #region 计算右脚IK
    //右脚坐标
    rightFootPosition = animator.GetBoneTransform(HumanBodyBones.RightFoot).position;
    rightFootPosition.y = transform.position.y + raycastOriginHeight;
    //右脚 射线检测
    rightFootRaycast = Physics.Raycast(rightFootPosition, Vector3.down, out hit, raycastDistance + raycastOriginHeight, groundLayerMask);
    if (rightFootRaycast)
    {
    
    
        rightFootIkPosition = rightFootPosition;
        rightFootIkPosition.y = hit.point.y + bodyYOffset;
        rightFootIkRotation = Quaternion.FromToRotation(transform.up, hit.normal);

#if UNITY_EDITOR
        //射线
        Debug.DrawLine(rightFootPosition, rightFootPosition + Vector3.down * (raycastDistance + raycastOriginHeight), Color.yellow);
        //法线
        Debug.DrawLine(hit.point, hit.point + hit.normal * .5f, Color.cyan);
#endif
    }
    else
    {
    
    
        rightFootIkPosition = Vector3.zero;
    }
    #endregion
}

#region 应用左脚IK
//权重
animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.LeftFoot, 1f);
animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.LeftFoot, 1f);

Vector3 targetIkPosition = animator.GetIKPosition(AvatarIKGoal.LeftFoot);
if (leftFootRaycast)
{
    
    
    //转局部坐标
    targetIkPosition = transform.InverseTransformPoint(targetIkPosition);
    Vector3 world2Local = transform.InverseTransformPoint(leftFootIkPosition);
    //插值计算
    float y = Mathf.Lerp(lastLeftFootPositionY, world2Local.y, footPositionLerpSpeed);
    targetIkPosition.y += y;
    lastLeftFootPositionY = y;
    //转全局坐标
    targetIkPosition = transform.TransformPoint(targetIkPosition);
    //当前旋转
    Quaternion currRotation = animator.GetIKRotation(AvatarIKGoal.LeftFoot);
    //目标旋转
    Quaternion nextRotation = leftFootIkRotation * currRotation;
    animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.LeftFoot, nextRotation);
}
animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.LeftFoot, targetIkPosition);
#endregion

#region 应用右脚IK
//权重
animator.SetIKPositionWeight(AvatarIKGoal.RightFoot, 1f);
animator.SetIKRotationWeight(AvatarIKGoal.RightFoot, 1f);
targetIkPosition = animator.GetIKPosition(AvatarIKGoal.RightFoot);
if (rightFootRaycast)
{
    
    
    //转局部坐标
    targetIkPosition = transform.InverseTransformPoint(targetIkPosition);
    Vector3 world2Local = transform.InverseTransformPoint(rightFootIkPosition);
    //插值计算
    float y = Mathf.Lerp(lastRightFootPositionY, world2Local.y, footPositionLerpSpeed);
    targetIkPosition.y += y;
    lastRightFootPositionY = y;
    //转全局坐标
    targetIkPosition = transform.TransformPoint(targetIkPosition);
    //当前旋转
    Quaternion currRotation = animator.GetIKRotation(AvatarIKGoal.RightFoot);
    //目标旋转
    Quaternion nextRotation = rightFootIkRotation * currRotation;
    animator.SetIKRotation(AvatarIKGoal.RightFoot, nextRotation);
}
animator.SetIKPosition(AvatarIKGoal.RightFoot, targetIkPosition);
#endregion