【正文】 家?guī)?lái)天空是在極遠(yuǎn)處的錯(cuò)覺(jué)。但在較為復(fù)雜的應(yīng)用中，還需要使用天空盒的紋理來(lái)生成 Cube Map，并用之來(lái)做水面倒影、云影等特效的貼圖。圖 42 天空盒由六個(gè)面映射而成在 Unity3D 中對(duì)天空盒有很好的支持，開(kāi)發(fā)人員只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟：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(jì)與實(shí)現(xiàn)16； Shader 為 Unity3D 自帶的 RenderFXSkybox；； Render Setting 中設(shè)置天空材質(zhì)為前面創(chuàng)建的材質(zhì)。圖 43 為實(shí)現(xiàn)的效果圖：圖 43 實(shí)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(dòng)態(tài)更新頂點(diǎn)位置的網(wǎng)格，Unity3D 中的自帶有水的對(duì)象，但為了使得水面具有更真實(shí)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(guò)渲染到紋理（RendertoTexture，RTT）來(lái)實(shí)現(xiàn)。渲染到紋理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把當(dāng)前場(chǎng)景的一部分或者全部渲染成一個(gè)可以使用的紋理上面，然后再另外一次渲染中把它當(dāng)作普通的紋理使用。光穿過(guò)水面，但被水面改變傳播方向又返回水面之上叫做反射。如圖 44 所示，向量 I 被稱為入射光線（incident ray） ，從眼睛射到物體表面，當(dāng) I 到達(dá)表面的時(shí)候，它會(huì)根據(jù)表面的法向量 N 被從 R 方向反射出去，第二條光線是被反射光線（reflected ray） ，所以可以根據(jù)向量 I 和 N 用公式 41 計(jì)算被反射的向量 R：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(jì)與實(shí)現(xiàn)17圖 44 光線反射圖公式 41折射與反射不同的是，光線雖然改變角度但依然進(jìn)入水面，斯涅耳定律描述了兩種媒介之間的分界面光發(fā)生了什么，如圖 45 所示，折射向量被表示為 T，代表“transmitted”。斯涅耳定律在數(shù)學(xué)上可以用公式 42 表示。圖 45 斯涅耳折射定律公式 42具體代碼實(shí)現(xiàn)中，我們以折射為例，我們首先將要被折射的物體加入到一個(gè)層——m_RefractLatyer 中，然后設(shè)置一個(gè)攝像機(jī)用于渲染這個(gè)層上的所有物體，得到紋理_RefractionTex 并傳給 shader，然后在水面進(jìn)行紋理混合計(jì)算。以下為實(shí)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(jì)與實(shí)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(guò)高度圖來(lái)實(shí)現(xiàn)地形，高度圖實(shí)際上是一張矩形的灰度圖，在灰度模式中，顏色通過(guò) 0~255 來(lái)表示，0 代表黑色，255 代表白色，像素越亮代表地勢(shì)越高，255 的像素代表此次頂點(diǎn)最高，反之亦然，所以像素灰度值和頂點(diǎn)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(diǎn)，求得網(wǎng)格頂點(diǎn)的高度 y。公式 43??=??????????????255+????????程序在需要渲染地形時(shí)通過(guò)讀取這張圖片，并按照灰度生成頂點(diǎn)高度不一的矩形網(wǎng)格。這樣大大減少了游戲模型體積。Unity3D 中的地形模塊不但可以導(dǎo)入高度圖，還可以用筆刷為繪制地形紋理、樹(shù)、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(jì)與實(shí)現(xiàn)19草和巖石，所見(jiàn)即所得，大大減少了開(kāi)發(fā)人員的工作量。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(dú)立的計(jì)算過(guò)程，光照既可以使用固定管線、也可以再 Shader 自定光照模型實(shí)現(xiàn)。投影則是一個(gè)雙過(guò)程的技術(shù) [10]：，場(chǎng)景以光源的位置為視點(diǎn)被渲染。每個(gè)渲染圖像的像素的深度值被記錄在一個(gè)“深度紋理”中，被稱為陰影貼圖。，場(chǎng)景從眼睛的位置渲染，但是用標(biāo)準(zhǔn)的投影紋理把陰影貼圖從燈的位置通過(guò)投影矩陣運(yùn)算混合到場(chǎng)景中。在每個(gè)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(jìn)行比較。如果后者小，這意味著這個(gè)片段不是陰影，不需要和投影紋理進(jìn)行混合。圖 49 舉例說(shuō)明了陰影的深度比較。在圖的左邊，正要被著色的點(diǎn) P 在陰影中，因?yàn)檫@個(gè)點(diǎn)的深度值（Z B）比記錄的陰影貼圖的深度值（Z A）大。相反，在圖的右邊顯示了點(diǎn) P 的深度值與在陰影貼圖中記錄的值相同的情況。這意味著在在 P 和燈源之間沒(méi)有任何物體，因此 P 不再陰影中。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(jì)與實(shí)現(xiàn)20圖 49 投影的深度比較對(duì)于靜態(tài)物體的投影渲染的第一過(guò)程計(jì)算，可以在游戲開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行。Unity內(nèi)置的光照貼圖烘培工具是 Illuminate Labs 的 Beast，其主要原理是對(duì)場(chǎng)景中所有靜態(tài)物體的光照和投影進(jìn)行計(jì)算， 光照貼圖格式用以記錄光照和投影兩種信息，在游戲運(yùn)行時(shí)用光照貼圖對(duì)模型原有材質(zhì)進(jìn)行混合渲染，即可得到正確的光照和投影效果。這樣大大減少了游戲運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算量，提高游戲效率。如圖 410 所示，進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)置（實(shí)際上是設(shè)置光照模型和投影過(guò)程二的陰影紋理） ，選擇“Bake Scene”即可為場(chǎng)景生成光照貼圖。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(jì)與實(shí)現(xiàn)21（二） 場(chǎng)景物理仿真實(shí)現(xiàn)如前文提到，Unity3D 內(nèi)置對(duì) Nvidia PhysX 支持，其實(shí)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(jìn)行運(yùn)算。下面主要介紹常用組件：剛體（Rigid）：在 PhysX 的基本概念中，兩個(gè)碰撞體發(fā)生碰撞必須要求其中至少有一個(gè)剛體。所以對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體要賦予剛體屬性，剛體可設(shè)置質(zhì)量、重力計(jì)算、碰撞檢測(cè)頻率等屬性。網(wǎng)格碰撞體（Mesh Collider）：根據(jù)游戲玩法，玩家通過(guò)車身前部撞擊其他車的后部進(jìn)行游戲，在車身前部和后部各加入一個(gè)網(wǎng)格碰撞體，網(wǎng)格碰撞體可通過(guò)網(wǎng)格數(shù)據(jù)定義凸體形狀，比起基本碰撞體更加精確。地形碰撞體（Terrain Collider）：通過(guò)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(lái)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。輪胎碰撞體（Wheel Collider）：汽車經(jīng)常在陡峭的地形上行走，如果將輪胎定義為一般碰撞體則容易造成碰撞而導(dǎo)致車身飛起，輪胎碰撞體具有阻尼彈性和摩擦力的屬性，不同類型的車輛可以使用不同的輪胎碰撞體參數(shù)，模擬出各種效果。彈簧連接體（Spring Joint）：物體之間如果通過(guò)連接有力的作用，可通過(guò)設(shè)置連接體來(lái)實(shí)現(xiàn)。彈簧連接體能夠模擬物體之間的阻尼作用。如圖 411 所示，場(chǎng)景中需要進(jìn)行物理計(jì)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。而汽車的構(gòu)造較為復(fù)雜，首先在游戲中前車身和后車身為不同的積分部位，因此要定義為兩個(gè)網(wǎng)格碰撞體，并且為了得到真實(shí)的物理效果，需要將輪胎定義為車輪碰撞體并通過(guò)彈簧連接體與車身相連，如圖 412 所示。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(jì)與實(shí)現(xiàn)2、 、、 、、 、、 、、、 、、圖 411 物理仿真模塊實(shí)現(xiàn)圖 412 汽車物理仿真的構(gòu)造（三） 汽車動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行了汽車的物理組件裝配之后，還要實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力學(xué)模型。由于汽車在駕駛過(guò)程中影響其運(yùn)動(dòng)情況的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，操縱機(jī)構(gòu)對(duì)汽車的行駛存在著多輸入、多藕合、非線性的控制作用，而實(shí)時(shí)渲染游戲要求動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算快速，要在精確度與計(jì)算速度之間折中，需要簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型 [11]。為了簡(jiǎn)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。汽車在行駛過(guò)程中，因速度的變化受到引擎的驅(qū)動(dòng)力和阻力（動(dòng)摩擦力、空氣阻力） ，如果汽車在轉(zhuǎn)彎還會(huì)收到輪胎的側(cè)摩擦力，汽車行駛過(guò)程中的基本受力圖如 413 所示：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(jì)與實(shí)現(xiàn)23圖 413 車輛行駛受力圖假設(shè)汽車當(dāng)前正在轉(zhuǎn)彎且速度為 v，且由于轉(zhuǎn)彎輪胎和車身的 z 軸并不重合，速度 v 在輪胎 x 軸方向的分量為 ，k 為阻力系數(shù)，根據(jù)公式 44 可得出汽車受得的阻力 f 和輪胎側(cè)摩擦力 f 側(cè) ：公式 44??=????2??側(cè) ∝(??.??)2汽車當(dāng)前引擎提供的驅(qū)動(dòng)力決定于汽車當(dāng)前的檔位，檔位由當(dāng)前速度大小決定，不同的車輛有不同的檔位設(shè)計(jì)，為了控制汽車能達(dá)到的最大速度，使用二次線性增量法，v top表示汽車能達(dá)到的最大速度，n 表示該車當(dāng)前的檔位， vn表示達(dá)到該檔位的最低速度，F(xiàn) n表示 n 檔位收到的驅(qū)動(dòng)力，k 為公式 44 中的阻力系數(shù)，這樣，速度、檔位、驅(qū)動(dòng)力之間關(guān)系可用公式 45 表示：公式 45??1=14??????????????????1=14(??????????????1) ????=??(?????1)2????????=??????????2根據(jù)以上得出的汽車動(dòng)力學(xué)模型，需要在 Unity3D 中通過(guò)腳本組件實(shí)現(xiàn)，首先為汽車對(duì)象增加一個(gè)繼承自 MonoBehavior 的 腳本，在其中重寫(xiě)兩個(gè)更新函華東師范大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 Unity 的車輛模擬游戲的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)24數(shù) Update()和 FixedUpdate()，Update()函數(shù)在每幀繪制之前調(diào)用一次，F(xiàn)ixedUpdate()通過(guò)一個(gè)計(jì)時(shí)器定時(shí)調(diào)用，時(shí)間間隔可在工程中設(shè)置。然后在這兩個(gè)更新函數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。以下為兩個(gè)更新函數(shù)的代碼及各個(gè)函數(shù)的作用，其中的計(jì)算公式中使用了大量的常量因子，不同的汽車可配置不同的參數(shù)以產(chǎn)生逼真的效果：代碼清單 414 的更新函數(shù)GetInput():得到當(dāng)前玩家的輸入，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)；Check_If_Car_Is_Flipped():判斷汽車是否被撞翻，如果是的話，使汽車被翻正；UpdateWheelGraphics():根據(jù)汽車瞬時(shí)速度旋轉(zhuǎn)輪胎；UpdateGear():根據(jù)汽車瞬時(shí)速度變換檔位；UpdateFriction ():如果汽車在轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，輪胎會(huì)受到的側(cè)摩擦力，側(cè)摩擦力和瞬時(shí)速度的 x 軸分量的平方成正比，如公式 44；UpdateDrag ():計(jì)算當(dāng)前受到的阻力，阻力和速度的平方成正比，如公式 44；CalculateEnginePower ():根據(jù)當(dāng)前檔位計(jì)算引擎提供的動(dòng)力，如公式 45；ApplyThrottle ():根據(jù)引擎動(dòng)力使汽車剛體獲得向前力模擬油門效果；ApplySteering ():根據(jù)引擎動(dòng)力和玩家的轉(zhuǎn)向輸入使汽車剛體獲得側(cè)向力模擬轉(zhuǎn)彎效果。（四） 用戶圖形界面實(shí)現(xiàn)Unity3D 的另一個(gè)便利就是強(qiáng)大的插件功能，開(kāi)發(fā)人員可以定制自己功能的菜單欄選