基于Unity3D的VR海洋探索游戲開發

溫子燊　劉螢

摘要：隨著虛擬現實硬件設備與軟件驅動進一步的完善，虛擬現實游戲也逐漸步人人們的生活當中。本文通過對海洋探索游戲的設計思路與實現方式進行研究，針對Ul交互和游戲基本邏輯進行分析，對于虛擬現實游戲的設計方式與開發流程有一定的參考價值。

關鍵詞：虛擬現實;游戲開發;Unity 3D

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）09-0228-02

1 引言

從1958年第一款示波器上的電子游戲“雙人網球”到2018年獲得大量獎項的VR游戲Beat Saber，從電子游戲的誕生之初到現在，承載著電子游戲的設備在一定程度上能夠反映出該游戲所處時代的科技水平。從2014年Face Book收購Oculus開始，虛擬現實技術正逐漸步人正軌，開發虛擬現實設備上的游戲也變得刻不容緩。Unity3D是一款利用交互的圖形化開發環境為首要方式的專業游戲引擎，支持C#編程語言，可用于開發Windows、MacOS、Linux平臺和PlayStation、XBox、NintendoSwitch等游戲主機平臺以及IOS、Android等移動設備的游戲，擁有跨平臺的特性，被廣泛用于建筑可視化、實時三維動畫、VR/AR游戲應用等互動內容的綜合性創作工具。

2 游戲的設計思路

《The Sea》是一款基于Unity3D引擎和HTC VIVE虛擬現實設備開發的VR海洋探險游戲，將3D環繞的立體音效、扁平化的空間UI交互系統、人性化的語音引導與當今主流的虛擬現實技術相結合，配合次時代PBR模型以及PostProcessing屏幕后處理技術，使玩家的沉浸感和體驗提升到更高的層次。該游戲主要通過VR手柄進行交互，玩家可通過頭顯正前方的HUD面板來獲取自身和可交互物體的位置信息，使用扳機鍵配合手柄射線來對菜單以及可回收物體進行交互。玩家可通過不斷地收集魚類信息和回收污染物得到點數回饋，一方面可以通過點數的累計來解鎖劇情，另一方面可以通過消耗點數來增強自身的屬性，從而逐漸減少難度。

3 游戲的實現方式

3.1 HUD面板UI的設計與實現

由于虛擬現實頭戴式顯示器與眼睛之間的距離固定在20厘米左右的范圍內，因此如果采用傳統的單個攝像機對畫布內的UI進行渲染，UI元素將會分散在FOV視場角邊緣，在屏幕后處理的影響下UI元素會產生圖像扭曲、RGB分離和亮度變暗等效果，影響用戶體驗和破壞沉浸感的同時容易使玩家產生暈眩或惡心等不良影響。將Canvas的Render Mode改為WorldSpace，并將Canvas畫布固定在用戶眼前既能清楚地看到HUD同時又不會被HUD所遮擋視線的位置。將Canvas中的Slider設為豎直顯示并將其value值與玩家當前位置的Y坐標數值掛鉤以達到顯示當前深度的效果，同時將另一個豎直的進度條與玩家的旋轉角度相掛鉤，并通過歐拉角與四元數的轉換得到玩家當前頭部的旋轉角度并將其顯示在HUD面板上即可完成HUD部分。

3.2 手柄交互功能的實現

交互作為游戲所必不可少的功能[2]，在本游戲中以手柄交互作為主要交互手段，通過獲取玩家手柄的Transform.Position坐標并在該位置實例化一個子彈預制體，通過計算手柄的旋轉角度并將其X軸方向轉化為單位三維矢量，在該三維矢量上對預制體的Rigibody剛體組件添加一個作用力，使子彈預制體能夠沿著手柄X軸方向射出并與Terrain地形或其他可交互預制體產生碰撞交互。在子彈的碰撞器組件開始碰撞時，在OnCoI-liderEnter方法內判斷碰撞到的物體的標簽，若標簽為可交互材料則對該材料的數值+1，若為魚類則對該種魚類的DNA采集度+l，判斷完成后使用Destroy方法銷毀該子彈預制體以減少內存的占用與GPU的消耗。

3.3 模型的創作與動作的實現

一個完整的次世代PBR模型的制作流程從Maya軟件內建中模開始，然后到Zbrush軟件中雕刻高模，再回到Maya拓撲低模、拆分UV，再到Substance Painter軟件中烘焙貼圖。后半段的烘焙+貼圖+引擎階段是Physically-Based Rendering基于物理的渲染過程，用于精確描述光和物體表面互動的著色和渲染技術。從光的角度來看主要包括顏色、亮度、衰減、強度、形狀等主要屬性，當燈照射到模型表面上會產生反射或者折射的情況，被折射的光線會被吸收或者離散。將制作完成的PBR模型導人Cinema4D中，由于模型動作相對較簡單，因此采用正向動力學的方式對骨骼進行綁定，使用關節工具創建骨骼與控制器，再用命令工具將骨骼綁定蒙皮，綁定蒙皮后模型的運動可能會產生破面，因此使用權重工具對模型進行處理。

3.4 魚類生成方式與AI自動尋路的實現

由于受到主機性能的限制，魚類并不能無限制的生成，因此在開發階段利用Unity的性能分析組件Profiler對運行時CPU的Draw Call消耗、內存的Garbage Collection情況與GPU的Ren-dering情況進行分析，得出魚類數量超過60個時游戲延遲會達到30ms以上，因此將魚類的數量限制在50個以內。在地形的周圍設置10個用來控制魚類生成位置的空物體，使用遍歷數組的方式獲取到各個空物體的位置坐標，并通過使用空物體上掛載腳本的Object.lnstantiate方法將魚類的預制體實例化。由于魚類活動區域限制在海水中，移動的方式不受重力影響，因此魚類的AI尋路方式不采用傳統的Nav Mesh Agent組件進行自動尋路。使用Vector3.Distance方法計算出玩家與魚類的距離，并判斷該距離是否小于或等于玩家受到海水fog霧效影響后的可視距離，若魚類在玩家可視距離外，則沿著以Terrain地形中心為圓心，自身與圓心的距離為半徑的圓上進行移動，否則以隨機方向移動，并使用射線組件判斷當前移動方向Rayc-astHit. point是否與玩家所處方位一致，若一致則朝玩家移動，否則繼續以隨機方向移動。

3.5 玩家移動的設計與實現

在當前市面上的VR游戲中，玩家的移動效果大致分為以下三種[3]：（1）通過利用手柄的指針射線，將玩家坐標轉換為指針末端所指的坐標。（2）在地形上設定Teleport傳送點，當玩家指針指向該傳送點時將玩家坐標轉換為傳送點的坐標，與方法（1）相比減少了玩家的自由度，但相對提升了游戲的穩定性。（3）通過獲取手柄觸摸板的坐標進行位移，手指離觸摸板邊緣越近則移動速度越快，該方式與傳統的手柄搖桿移動方式相同，玩家能夠快速上手該移動方式，但在VR環境下，變速運動會使眼睛獲取的信息與前庭系統的感知不一致，玩家會產生惡心或眩暈感，但由于該游戲主要活動場所為海平面以下的水體中，物理參考系較少且移動速度相對較慢，因此適合該移動模式。

3.6 場景立體音效的實現

聲音在游戲開發中作為必不可缺的一環，其重要性也是不言而喻的。傳統的音效播放方式只是將音頻原聲通過輸出設備進行播放，缺乏方向性與空間感，與虛擬現實技術相結合會破壞其原本的沉浸感，因此需要將Audio Source的Spatial Blend改為3D。調整之后的音效具有了方向性，會根據用戶的朝向而改變雙聲道的輸出功率，但仍缺乏空間感，需要將Proj ect Set-ting下的Audio的Spatializer Plugin改為Resonance Audio，同時將Audio Source組件下的3D Sound Settings的Spatialize Post Ef-fect效果開啟，使音頻具有多普勒效應。

4 VR海洋探索游戲《The Sea》的應用效果

進入游戲后，玩家將會開始新手指引教程，聽從語音指示和HUD面板上的文字指示進行活動，在教程內學會移動、射擊、查看圖鑒、制作/升級裝備以及通過HUD面板了解信息。引導教程完成后，玩家將會被傳送到荒島上，通過一次次的下潛收集魚類的DNA來解鎖圖鑒推進劇情的同時，沉人海底收集廢物并將其回收利用制成裝備以達到強化自身能力的效果。

5 結語

該游戲在玩法設計上將探索、收集元素融人游戲當中，在用戶的視覺交互上采用了空間范圍內的立體UI+HUD抬頭顯示面板的方式，同時使用了次時代的PBR流程技術建模，提升了玩家的沉浸感與交互體驗。本文展示了Unity3D引擎制作VR游戲的大致流程，為虛擬現實設備的游戲設計提供一定的思路與見解，使虛擬現實技術得到進一步的發展。

參考文獻：

[1] Jeff W. Murray.Building Virtual Reality with Unity and Steam-VR[M]，吳彬，等，譯，北京：機械工業出版社，2019.

[2]溫涵泳.基于HTC Vive平臺的防化訓練虛擬現實系統[Dl.廣州：華南理工大學，2017.

[3]鄧德榮，基于Unity3D的VR交互場景設計與運行監控[Dl.廣州：華南理工大學，2018.

【通聯編輯：聞翔軍】

基金項目：省級大學生創新創業訓練計劃項目“基于VR虛擬現實技術的文化教育傳播及創新運用”（項目編號：S201913714019）

作者簡介：溫子糶（1999-），男，廣東梅州人，本科，研究方向：新媒體技術及應用;劉螢（1987-），女，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：數字媒體技術及應用、游戲設計與開發。