【正文】 求的車輛；，可以繪制不同地域風(fēng)情的競技場，并且不同的競?cè)A東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)13技場應(yīng)該有不同的物理屬性增加車輛駕駛?cè)の?，如冰川、泥濘的森林，以及適合車輛躲避的樹、草、坡度等布置；，如前兩個特性所列，不同的設(shè)計會帶來豐富的物理仿真效果。而游戲模塊為游戲提供了一些必須用到的功能，這些功能，都是完全獨立與所有的場景存在的，它們并不知道到底有多少關(guān)卡，關(guān)卡的內(nèi)容是什么，它們的主要工作，就是與游戲的控制單元進行信息的交換，從而支持游戲的進行。圖 32 為游戲系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖：、、Unity Mono、 、、 3D、 、圖 32 游戲框架結(jié)構(gòu)華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)14（三） 游戲?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)設(shè)計前文提到 Unity3D 中每個場景按照樹形層次結(jié)構(gòu)組織游戲?qū)ο?，并且每個游戲?qū)ο罂梢該碛腥舾山M件。如圖 33 所示： cmp sequence制制制制制制MainCamera GameObject2 GameObject3Hierarchy:……Component1 Component2 Component3 Component4 Component5Component: ……制制制NetworkManagerUIManagerComponent:……171。圖 33 游戲?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)圖游戲系統(tǒng)分為三個層來設(shè)計，分別是：視圖層：主要為加入到場景層次結(jié)構(gòu)的游戲?qū)ο?，這些對象常常是渲染對象或攝像機。模型層：主要是在渲染對象中加入的邏輯腳本組件，這些腳本對游戲?qū)ο筮M行邏輯處理。在立方體的前后左右上五個面貼上紋理（需要時底面也可以帖） 。但在較為復(fù)雜的應(yīng)用中，還需要使用天空盒的紋理來生成 Cube Map，并用之來做水面倒影、云影等特效的貼圖。圖 43 為實現(xiàn)的效果圖：圖 43 實現(xiàn)的天空效果2. 水面水面的本質(zhì)即按照流體規(guī)律動態(tài)更新頂點位置的網(wǎng)格，Unity3D 中的自帶有水的對象，但為了使得水面具有更真實的表現(xiàn)力，還要為水面加入反射、折射等效果，這些效果主要是通過渲染到紋理（RendertoTexture，RTT）來實現(xiàn)。光穿過水面，但被水面改變傳播方向又返回水面之上叫做反射。斯涅耳定律在數(shù)學(xué)上可以用公式 42 表示。以下為實現(xiàn)折射效果的關(guān)鍵代碼和水面效果截圖：華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)18代碼清單 46 折射 RTT 關(guān)鍵代碼圖 47 帶有折射、反射的水面效果3. 地形 [9]在 Unity3D 中通過高度圖來實現(xiàn)地形，高度圖實際上是一張矩形的灰度圖，在灰度模式中，顏色通過 0~255 來表示，0 代表黑色，255 代表白色，像素越亮代表地勢越高，255 的像素代表此次頂點最高，反之亦然，所以像素灰度值和頂點的高度可以用公式 43 表示，其中 L 為像素的灰度值， 、 分別為 Unity3D 中定義????????????????????的地形高度和地形最低點，求得網(wǎng)格頂點的高度 y。這樣大大減少了游戲模型體積。圖 48 為小島的效果圖：圖 48 小島地形效果圖4. 光照和投影在一般 3D 應(yīng)用程序中，光照和投影是各自獨立的計算過程，光照既可以使用固定管線、也可以再 Shader 自定光照模型實現(xiàn)。每個渲染圖像的像素的深度值被記錄在一個“深度紋理”中，被稱為陰影貼圖。在每個像素，深度采樣值（從被投影的深度紋理中）與片段到燈的距離進行比較。圖 49 舉例說明了陰影的深度比較。相反，在圖的右邊顯示了點 P 的深度值與在陰影貼圖中記錄的值相同的情況。華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)20圖 49 投影的深度比較對于靜態(tài)物體的投影渲染的第一過程計算，可以在游戲開發(fā)過程中進行。這樣大大減少了游戲運行過程中計算量，提高游戲效率。圖 410 光照貼圖烘焙窗口華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)21（二） 場景物理仿真實現(xiàn)如前文提到，Unity3D 內(nèi)置對 Nvidia PhysX 支持，其實際工作就是封裝了一些游戲中常用的組件以及腳本中調(diào)用的類，只要將這些碰撞體組件賦予游戲?qū)ο?，就被加?PhysX 虛擬世界進行運算。所以對運動的物體要賦予剛體屬性，剛體可設(shè)置質(zhì)量、重力計算、碰撞檢測頻率等屬性。地形碰撞體（Terrain Collider）：通過地形模塊生成的地形可以選擇加入地形碰撞體，就這樣就可以不需要定義網(wǎng)格數(shù)據(jù)來定義網(wǎng)格碰撞體，其本質(zhì)就是根據(jù)高度圖生成的網(wǎng)格碰撞體。彈簧連接體（Spring Joint）：物體之間如果通過連接有力的作用，可通過設(shè)置連接體來實現(xiàn)。如圖 411 所示，場景中需要進行物理計算的主要有三種：地形、一些 3D 模型（如柵欄）和汽車，其中地形和 3D 模型為靜態(tài)物體，只要為其增加靜態(tài)碰撞體組件即可。華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)2 、 、 、 、 、圖 411 物理仿真模塊實現(xiàn)圖 412 汽車物理仿真的構(gòu)造（三） 汽車動力學(xué)模擬進行了汽車的物理組件裝配之后，還要實現(xiàn)汽車動力學(xué)模型。為了簡化模型，作如下假設(shè):所有車輛都是剛體，不考慮多節(jié)車廂的情況。然后在這兩個更新函數(shù)進行動力學(xué)計算。（四） 用戶圖形界面實現(xiàn)Unity3D 的另一個便利就是強大的插件功能，開發(fā)人員可以定制自己功能的菜單欄選項、組件并注冊到編輯器中使用。華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)25NGUI 是 Unity3D 中最著名的界面插件，其提供了強大的界面組件和相應(yīng)的類，下面主要介紹一些 NGUI 概念：UIRoot：任何一個場景中界面根節(jié)點，其中至少包括一個 UICamera。Anchor：用于偏移子游戲?qū)ο蟮牟季?，如上、下、左、右、中。Button：按鈕元素，可執(zhí)行 OnClick、OnPress、OnRelease 等回調(diào)函數(shù)Label：標簽元素，用于顯示文字。UISlicedSprite 將 Sprite 分為九個切片，每個切片可自由縮放，適合制作邊框；UITiledSprite 可以進行平鋪擴展，如圖 416 所示： 圖 416 左圖為 UISlicedSprite，右圖為 UITiledSprite華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)26本游戲中要開發(fā)主要有兩類界面：一類是主菜單界面，例如玩家在啟動游戲后需要進入一個登陸界面，可以進行汽車選擇，游戲選項設(shè)置，進入競技場開始游戲等操作。前文已經(jīng)介紹了 NGUI 的一些基本概念，下圖 417 為登陸界面的層次結(jié)構(gòu)，接下來就是布置界面元素的位置，以及實現(xiàn)相關(guān)回調(diào)函數(shù)：圖 417 游戲登陸界面實現(xiàn)HUD 的實現(xiàn)與主界面略有區(qū)別，由于要保證總是顯示最前，所以要較現(xiàn)有的 3D場景之后渲染。華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)27 圖 418 游戲 HUD 界面實現(xiàn)（五） 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機模塊實現(xiàn)要實現(xiàn)多人模式下的玩家對戰(zhàn)，還需要加入網(wǎng)絡(luò)模塊，現(xiàn)有的個人計算機網(wǎng)絡(luò)主要通過套接字（socket）進行消息傳遞，套接字可以選擇兩種主要協(xié)議：傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，簡稱 TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，簡稱 UDP） 。在游戲開發(fā)過程中會根據(jù)需要選擇不同的協(xié)議，如在局域網(wǎng)大廳中，顯示房間信息和用戶聊天都可以選用 UDP，在需要實時保存的玩家信息（如裝備、財寶等）必須使用可靠的 TCP 傳輸。其中可設(shè)置可靠（reliable）和不可靠（unreliable）兩種調(diào)用方式，分別對應(yīng)于 TCP 和 UDP。作為局域網(wǎng)游戲，汽車信息的更新是頻繁的，所以為了提高游戲效率，可以使用不可靠的 RPC 調(diào)用方式。五、 游戲展示與性能分析（一） 游戲展示圖 51 是游戲登陸界面，左邊可以進行選車，右邊介紹玩法。圖 53 為汽車被柵欄阻攔效果。華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)29圖 51 游戲登陸界面圖 52 游戲選項設(shè)置華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)30圖 53 汽車被柵欄阻擋而飛起圖 54 成功撞擊其他車輛背部（二） 性能分析《瘋狂碰碰車》的目標平臺是 PC 和移動平臺，所以選用了目前中端硬件配置的筆記本和手機分別進行了性能測試，筆記本選用的是 Lenovo IdeaPad Y400N，手機選用的是小米 2。圖 55 Y400N 性能分析如圖 56 所示，在小米 2 中 CPU 平均每幀的計算時間為 左右，GPU 為 左右，平均幀率達到 23fps，達到手機游戲流程運行要求。華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計與實現(xiàn)32圖 56 小米 2 聯(lián)機性能分析六、 項目總結(jié)（一） 總結(jié)在筆者剛進入大學(xué)急切想知道一款游戲需要學(xué)習(xí)什么時，卻發(fā)現(xiàn)總結(jié)成系統(tǒng)性的技術(shù)文檔或書籍非常少，大多為某方面如 3D 繪制、網(wǎng)絡(luò)編程或者工具的使用等只言片語，對于游戲這樣一項多領(lǐng)域技術(shù)的綜合應(yīng)用是遠遠不夠的。受條件限制，論文不能把游戲涉及得每一個細節(jié)寫清楚，只能從各個角度做一些介紹，請予以諒解，論文所圍繞的汽車游戲由本人獨立完成，主要內(nèi)容如下： API，如 Direct3d、OpenGL 的渲染管線及一般圖形程序的結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí) Unity3D 的使用快速渲染出需要的效果，如天空盒、海平面、投影；，比較 Havok 和 PhysX 兩款物理引擎及基本概念，學(xué)習(xí)在 Unity3D 中使用 PhysX，對車輛物理模型進行設(shè)計和運動學(xué)實現(xiàn)；，學(xué)習(xí) 3dmax 建模創(chuàng)建柵欄碰撞體及車身前后碰撞體分離； Unity3D 中 UI 制作插件 NGUI 的基本概念和使用，如 Atlas 及 Sprite，這將大大節(jié)省界面圖形資源的內(nèi)存占有率，完成玩家操作界面； Unity3D RPC，解決圖形渲染和物理引擎同步問題，用以實現(xiàn)多人模式下玩家對戰(zhàn)。筆者認為以下工作可作為今后的重點:，碰撞的過程中幀率只有 10fps 左右，找到優(yōu)化解決辦法，提升游戲效率；； 3D 建模方面經(jīng)驗不足，模型建立后缺乏美感，因此在今后的工作要加強這方面的學(xué)習(xí)；