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用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

背景:不知道大家还记不记得上次那个3D迷宫游戏,有同事吐槽说游戏中间有一个十字瞄准器,就感觉少了一把枪。好吧,那这次就带来一款第一人称射击游戏。写demo锻炼,所以依旧用的原生webgl,这次重点会说一下webgl中关于摄像头相关的知识,点开全文在线试玩~~

simpleFire在线试玩:https://westanhui.github.io/simpleFire/index.html(推荐开声音……否则没有打击感会觉得游戏有点呆……)

simpleFire源码地址:https://github.com/westAnHui/simpleFire

说明:

游戏比较简单(所以叫 simple Fire)……不过也勉强算是一款第一人称射击游戏啦~

由于时间非常有限,这次真的不是懒!!相信我!!所以界面比较丑,见谅见谅(讲良心说,这比3D迷宫真的走心多了……)

上次3D迷宫文章重点介绍了迷宫的几种算法,webgl没怎么讲,这篇文章会重点讲下webgl中摄像机相关的知识,webgl基础知识会简单带一下

最后贴一下上次3D迷宫的地址:https://westanhui.github.io/3Dmaze/3Dmaze2.html

1、游戏准备:

做一款游戏和做一个项目是一样的,不能刚有想法了就直接开始撸代码。一个前端项目可能要考虑框架选型、选用何种构建、设计模式等等;而一款游戏,在确定游戏类型之后,要考虑游戏玩法,游戏场景,游戏关卡,游戏建模美术等等,而这些很多都是非代码技术层面的,在真正的游戏开发中会有专门那个领域的人去负责,所以一款好的游戏,每一个环节都不可或缺。

上面是关于游戏开发的碎碎念,下面开始真正的讲解simpleFire这款游戏。

试玩之后大家应该会发现游戏整个场景非常简单,一把枪,四面墙,墙上面有靶子,将所有的靶子都打掉则游戏结束,最终的游戏分数是: 击中靶子数 + 剩余时间转换。此时读者可能内心感受:这尼玛在逗我呢,这也太简单了吧。先别急,接下来说下游戏准备过程中遇到的坑点

因为是3D游戏,而且涉及到了不同的物体在3D空间中存在(枪、靶子、墙),之前那3D迷宫准备工作之所以简单是空间中从头到尾就只有“墙”这一个东西。

要让枪、靶子、墙这些东西同处一个空间内很简单,把他们顶点信息写进shader就行了嘛

(在这里考虑到可能有没接触过webgl的同学,所以简单介绍一下,canvas是对象级别的画板操作,drawImage画图片,arc画弧度等,这些都是对象级别操作。而webgl是片元级操作,片元在这里可以先简单理解为像素,只是它比像素含有更多的信息。上面所说的把顶点信息写进shader,可以理解为把枪、靶子、墙这些东西的坐标位置画进canvas。先就这样理解着往下看吧~如果canvas也不知道那就没办法了。。。)

顶点信息从哪来?一般是设计师建模弄好了,导成相关文件给开发者,位置、颜色等等都有。但是……我这里没有任何相关信息,全部得自己来做。

自己跟前又没有专业的建模工具,那该如何生成顶点信息?用脑补 + 代码生成……事先声明,这是一种很不对很不对的方式,自己写点demo可以这样玩,但是生产中千万别这样。

这里就用生成枪来举例,我们知道普通制式手枪长180mm到220mm左右,在这里取20cm,并将其长度稍微小于视锥体近平面的长度,视锥体近平面也看作为屏幕中webgl画布的宽度。所以我们生成的枪理论上应该是这样的,如图所示:

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

好了,枪的比例确定之后就要结合webgl坐标系生成顶点信息了,webgl坐标系和canvas2D坐标系有很大的不同,如图:

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

因为是代码手动生成顶点信息,用-1~1写起来有点难受,所以这里我们先放大10倍,后面在把除回去,蛋疼吧,这就是不走正途的代价……

代码该怎么生成顶点信息呢?用代码画一把枪听起来很难,但是用代码画一条线、画一个圆、画一个正方体等,这些不难吧,因为这些是基本图形,有数学公式可以得到。一个复杂的模型,我们没法直接确定顶点信息,那就只好通过各种简单模型去拼凑了,下面这个页面就是简单的拆分了下枪的模型,可以看到是各个简单子模型拼凑而成的(说明:建模形成的也是拼凑,不过它的一块块子模型不是靠简单图形函数方法生成)。

手枪生成展示:https://westanhui.github.io/simpleFire/gun.html

这种方式有什么坏处:工作量大而且不好看、扩展性差、可控性差

这种方式有什么好处:锻炼空间想象力与数学函数应用吧……

介绍了这么多,其实就想说:这么恶心且吃力不讨好的活我都干下来了,真的走心了!

具体怎么用简单图形函数生成的子模型可以看代码,代码看起来还是比较简单,有一定立体几何空间想象力就好,这里不细讲,毕竟非常非常不推荐这样玩。

枪建模相关代码地址:https://github.com/westAnHui/simpleFire/blob/master/js/gun.js

2、游戏视角

第一人称射击类游戏玩的是什么?就是谁开枪开的准,这个是永恒不变的,就算是OW,在大家套路都了解、可以见招拆招的情况下,最终也是比枪法谁更准。那么枪法准是如何体现的呢?就是通过移动鼠标的速度与准确度来体现(这里没有什么IE3.0……),对于玩家来说, 手中移动的是鼠标,映射在屏幕上的是准心 ,对于开发者来说, 移动的是视角 ,也就是3D世界中的摄像头!

先说下摄像头的基本概念和知识,webgl中默认的摄像头方向是朝着Z轴的负方向,随手画了图表示下(已知丑,轻吐槽)

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

摄像头位置不变,同一个物体在不同位置能给我们不同的感受,如下

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏 用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

摄像头位置改变,同一个物体位置不变,也能给我们不同的感受,如下

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏 用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

等等!这似乎并没有什么区别啊!感觉上就是物体发现了变化啊!确实如此,就好像你在车上,看窗外飞驰而过的风景那般道理。

摄像头的作用也就是改变物体在视锥体中的位置,物体移动的作用也是改变其在视锥体中的位置!

熟悉webgl的中的同学了解

gl_Position = uPMatrix * uVMatrix * uMMatrix * aPosition;

对于不了解的同学,可以这样理解

gl_Position是最终屏幕上的顶点,aPosition是最初我们生成的模型顶点

uMMatrix是模型变换矩阵,比如我们想让物体移动、旋转等等操作,可以再次进行

uPMatrix是投影变换矩阵,就理解为3维物体能在2D屏幕上显示最为重要的一步

uVMatrix是视图变换矩阵,就是主角!我们用它来改变摄像头的位置

我们的重点也就是玩转uVMatrix视图矩阵!在这里,用过threejs或者glMatrix的同学肯定就很诧异了,这里有什么好研究的,直接lookAt不就不搞定了么?

确实lookAt就是用来操作视图矩阵的,考虑到没用过的用户,所以这里先说一下lookAt这个方法。

lookAt功能如其名,用来确认3D世界中的摄像机方向(操作视图矩阵),参数有3个,第一个是眼睛的位置,第二个是眼睛看向目标的位置,第三个是坐标的正上方向,可以想象成脑袋的朝上方向。

用图来展示的话就是如下图(已知丑,轻吐槽):

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

知道了lookAt的用法,接下来我们来看一下lookAt的原理与实现。lookAt既然对应着视图矩阵,将它的结果想象成矩阵VM

大家知道webgl中最初的坐标系是这样的

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

那么如果我们知道最终的坐标系,就可以逆推出矩阵VM了。这个不难计算,结果如下

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏

来,回看一下lookAt第一个和第二个参数, 眼睛的位置眼睛看向目标的位置 ,有了这两个坐标,最终坐标系的Z是不是确定了!,最后一个参数是正上方向,是不是Y也确定了!

机智的同学看到有了Z和Y,立马想到可以用叉积算出X,不知道什么是叉积的可以搜索一下(学习webgl一定要对矩阵熟悉,这些知识是基础)

这样我们就很轻松愉快的得出了VM,但是!似乎有点不对劲

本身VM是没有问题的,关键在于这么使用它,比如说我直接lookAt(0,0,0, 1,0,0, 0,1,0)使用,可以知道此时我们的视线是X轴的正方向,但若是我鼠标随便晃一个位置,你能快速的知道这三个参数该如何传么?

所以现在的目标就是通过鼠标的偏移,来计算出lookAt的三个参数,先上代码~

var camera = {
    rx: 0,
    ry: 0,
    mx: 0,
    my: 0,
    mz: 0,
    toMatrix: function() {
        var rx = this.rx;
        var ry = this.ry;
        var mx = this.mx;
        var my = this.my;
        var mz = this.mz;
 
        var F = normalize3D([Math.sin(rx)*Math.cos(ry), Math.sin(ry), -Math.cos(rx) * Math.cos(ry)]);
 
        var x = F[0];
        var z = F[2];
 
        var angle = getAngle([0, -1], [x, z]);
 
 
        var R = [Math.cos(angle), 0, Math.sin(angle)];
 
        var U = cross3D(R, F);
 
        F[0] = -F[0];
        F[1] = -F[1];
        F[2] = -F[2];
 
        var s = [];
 
        s.push(R[0], U[0], F[0], 0);
        s.push(R[1], U[1], F[1], 0);
        s.push(R[2], U[2], F[2], 0);
 
        s.push(
            0,
            0,
            0,
            1
        );
 
        return s;
    }
};

这里封装了一个简单的camera对象,里面有rx对应鼠标在X方向上的移动,ry对应鼠标在Y方向上的移动,这个我们可以通过监听鼠标在canvas上的事件轻松得出。

var mouse = {
    x: oC.width / 2,
    y: oC.height / 2
};
 
oC.addEventListener('mousedown', function(e) {
    if(!level.isStart) {
        level.isStart = true;
        level.start();
    }
    oC.requestPointerLock();
}, false);
 
oC.addEventListener("mousemove", function(event) {
 
    if(document.pointerLockElement) {
 
        camera.rx += (event.movementX / 200);
        camera.ry += (-event.movementY / 200);
    }
 
    if(camera.ry >= Math.PI/2) {
        camera.ry = Math.PI/2;
    } else if(camera.ry <= -Math.PI/2) {
        camera.ry = -Math.PI/2;
    }
    
}, false);

lockMouse+momentX/Y对于游戏开发来说是真的好用啊!!否则自己来写超级蛋疼还可能会有点问题,安利一大家一波,用法也很简单。

鼠标在X方向上的移动,在3D空间中,其实就是围绕Y轴的旋转;鼠标在Y方向上的移动,其实就是围绕X轴的旋转,这个应该可以脑补出来吧

那么问题来了,围绕Z轴的旋转呢??这里我没有考虑围绕Z轴的旋转啊,因为游戏没用到嘛,第一人称射击的游戏很少会有围绕Z轴旋转的场景吧,那个一般是治疗颈椎病用的。虽然不考虑,但是原理都是一样的,可以推出来,有兴趣的小伙伴可以自己研究下。

我们将rx和ry拆看来看,首先就只看rx对初始视线(0, 0, -1)的影响,经过三角函数的变换之后应该是 ( Math.sin(rx), 0, -Math.cos(rx) ) ,这里就不画图解释了,三角函数基本知识

然后再考虑 ( Math.sin(rx), 0, -Math.cos(rx) ) 经过了ry的变换会如何,其实就是将 ( Math.sin(rx), 0, -Math.cos(rx) ) 与ry的变化映射到y-z坐标系上面,再用三角函数知识得出 ( Math.sin(rx)*Math.cos(ry), Math.sin(ry), -Math.cos(rx) * Math.cos(ry) )

一时理解不了的同学可以闭上眼睛好好脑部一下变换的画面……

经过这两步最终我们得到了经过变换之后的视线方向F(少了Z轴方向的旋转,其实就是再多一步),也就是lookAt函数中的前两个函数得出来的值,然后再计算一个值就ok了,代码中我们求的是X轴的正方向

代码在刚刚封装的camera中是这几行

var x = F[0];
var z = F[2];
 
var angle = getAngle([0, -1], [x, z]);

angle得出了最终的视角方向(-Z)和最初视线方向在x-z坐标系中的偏转角,因为是x-z坐标系,所以最初的X正方向和最终的X正方向偏移角也是angle

function getAngle(A, B) {
    if(B[0] === 0 && A[0] === 0) {
        return 0;
    }
 
    var diffX = B[0] - A[0];
    var diffY = B[1] - A[1];
 
    var a = A[0] * B[0] + A[1] * B[1];
    var b = Math.sqrt(A[0] * A[0] + A[1] * A[1]);
    var c = Math.sqrt(B[0] * B[0] + B[1] * B[1]);
 
    return (B[0] / Math.abs(B[0])) *  Math.acos(a / b / c);
}

通过简单的三角函数得到了最终X轴的正方向R(注意:没考虑围绕Z轴的旋转,否则要繁琐一些)

再用叉积得到了最终Z轴的正方向U,然后不要忘记,之前F是视线方向,也就是Z轴正方向的相反方向,所以取反操作不要忘了

R、U、-F都得到了,也就得到了最终的VM视图矩阵!

其实吧,在没有平移的情况下,视图矩阵和模型变换矩阵也就是旋转方向不一致,所以以上的知识也可以用在推导模型变换矩阵里面。就算带上了平移也不麻烦,牢记 模型变换矩阵需要先平移、再旋转,而视图变换矩阵是先旋转、再平移

游戏中摄像机相关的知识就先讲到这里了,如果有不明白的同学可以留言讨论。

当然这不是唯一的方法,simpleFire这里没有考虑平移,不考虑平移的情况下,其实就是最终就是要生成一个3维旋转矩阵,只不过使用的是一种逆推的方法。此外还有一些欧拉角、依次2维旋转等等方式,都可以得到结果。不过这些都比较依赖矩阵和三角函数数学知识,是不是现在无比的怀恋当年的数学老师……

3、命中检测

我们玩转了摄像头,然后就是开枪了,开枪本身很简单,但是得考虑到枪有没有打中人呀,这可是关于到用户得分甚至是敌我的死活。

我们要做的工作是判断子弹有没有击中目标,听起来像是碰撞检测有没有!来,回忆一下在2D中的碰撞检测,我们的检测都是按照AABB的方式检测的,也就是 基于对象的包围框 (对象top、left、width、height)形成,然后坐标(x, y)与其计算来判断碰撞情况。这种方法有一个缺陷,就是 非矩形的检测可能有误差 ,比如圆、三角形等等,毕竟包围框是矩形的嘛。dntzhang所开发出的AlloyPage游戏引擎中有画家算法完美的解决了这个缺陷,将检测粒度由对象变成了像素,感兴趣的同学可以去研究一下~这里暂且不提,我们说的是3D检测

仔细想想3D世界中的物体也有包围框啊,更确切的说是 包围盒 ,这样说来应该也可以用2D中AABB方式来检测啊。

确实可以,只要我们将触发鼠标事件得到的(x, y)坐标经过各种变换矩阵转换为3D世界中的坐标,然后和模型进行包围盒检测,也可以得到碰撞的结果。对开发者来说挺麻烦的,对CPU来说就更麻烦了,这里的计算量实在是太大了,如果世界中只有一两个物体还好,如果有一大票物体,那检测的计算量实在是太大了,很不可取。有没有更好的方法?

有,刚刚那种方式,是将2D中(x, y)经过矩阵转换到3D世界,还有一种方式,将3D世界中的东西转换到2D平面中来,这便是帧缓冲技术。帧缓冲可是一个好东西, 3D世界中的阴影也得靠它来实现。

这里用一句话来直观的介绍帧缓冲给不了解的同学:将需要绘制在屏幕上的图像, 更加灵活处理的后 绘制在内存中

如图对比一下simpleFire中的帧缓冲图像是什么样的

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏 正常游戏画面

用webgl打造一款简单第一人称射击游戏 帧缓冲下的画面

发现整个世界中只有靶子有颜色对不对!这样我们读取帧缓冲图像中某个点的rgba值,就知道对应的点是不是在靶子上了!实现了坐标碰撞检测!

之前说的更加灵活的处理,就是指渲染时对各个模型颜色的处理

检测代码如下:

oC.onclick = function(e) {
    if(gun.firing) {
        return ;
    }
    gun.fire();
 
    var x = width / 2;
    var y = height / 2;
    
    webgl.uniform1i(uIsFrame, true);
    webgl.bindFramebuffer(webgl.FRAMEBUFFER, framebuffer);
    webgl.clear(webgl.COLOR_BUFFER_BIT | webgl.DEPTH_BUFFER_BIT);
 
    targets.drawFrame();
 
    var readout = new Uint8Array(1*1*4);
 
    // webgl.bindFramebuffer(webgl.FRAMEBUFFER, framebuffer);
    webgl.readPixels(x, y, 1, 1, webgl.RGBA, webgl.UNSIGNED_BYTE, readout);
    webgl.bindFramebuffer(webgl.FRAMEBUFFER, null);
 
    targets.check(readout);
 
    webgl.uniform1i(uIsFrame, false);
};
 
/* targets下的check方法 */
check: function(arr) {
    var r = '' + Math.floor(arr[0] / 255 * 100);
    var g = '' + Math.floor(arr[1] / 255 * 100);
    var b = '' + Math.floor(arr[2] / 255 * 100);
    var i;
    var id;
 
    for(i = 0; i < this.ids.length; i++) {
        if(Math.abs(this.ids[i][0] - r) <= 1 && Math.abs(this.ids[i][1] - g) <= 1 && Math.abs(this.ids[i][2] - b) <= 1) {
            console.log('命中!');
            id = this.ids[i][0] + this.ids[i][1] + this.ids[i][2];
            this[id].leave();
            score.add(1);
            level.check();
            break ;
        }
    }
}

而且这个方法很快,计算量都在GPU里面,这种数学计算的效率GPU是比CPU快的,GPU还是并行的!那传统的AABB法还有存在的意义么?

其实是有的,因为 精确 ,可以在包围盒中计算得到具体的碰撞点位置,这是帧缓冲法所达不到的

举个例子,第一人称射击游戏中的爆头行为,可以在帧缓冲中将人物模型中身体和头用不同颜色区分出来,这样可以检测出碰撞的是头还是身体。这种情景下帧缓冲方法还hold住

那如果是想得到打靶中具体的位置,留下子弹的痕迹呢?这里帧缓冲方法就死也做不到了。

最佳实践就是在 需要高精度复杂场景下的 碰撞检测可以将两种方法结合使用: 用帧缓冲去掉多余的物体,减少传统AABB法的计算量,最终得到具体位置。

simpleFire这里就没这么折腾了……只要射到靶上打哪都是得分~~~

4、碎碎念

关于simpleFire想讲的东西也就讲完了,本身也没有什么技术难点,文章的最后一节也聊一聊关于webgl

之前已经说了与canvas之间的区别,是从计算机层面的区别,这里说一下对于开发者的区别:

canvas2D是一块画布,在画布上作画,画中的东西一定是虚拟的

webgl是一个世界,你要在世界中创造,但也要满足世界的规则

这比喻有点夸大,都牵扯到了世界的规则。但事实就是如此,webgl比canvas2D复杂,而很大一块复杂的地方就是世界的规则 —— 光与阴影

这两块知识3D迷宫和simpleFire都没有用上,因为这应该是 静态 3D中最难啃的骨头了吧。说难吧,知道原理之后也不难,但就是恶心麻烦,加上光和阴影得多很多很多的代码。后面会详细讲解光和阴影相关知识的,也是用小游戏的方式。写一篇纯原理的文章感觉没啥意思,知识点一搜能搜到很多了

不看动画,纯看静态渲染方面的东西,2D和3D也就差不多,需要位置信息、颜色信息,平移旋转等等,3D也就是加上了光和阴影这样的世界规则,比2D还多了一些数学知识的要求

所以webgl并不难~欢迎更多的人来到webgl的坑中来吧,但是推荐入坑的同学不要开始就过于依赖three、oak3D、PhiloGL等图形库,还是从原生入手比较好

文章对simpleFire代码讲解的不是很多,源码也贴出来了,100%原生webgl的写法,看起来应该也不是很难

结语:

下次带来的不一定是3D小游戏,3D小游戏写起来还是挺累的,素材什么的比2D麻烦很多

这篇文章也就到此结束啦,写的好累T_T。。有问题和建议的小伙伴欢迎留言一起探讨~

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