祖柔惠 发表于 4 天前

仿神秘海域/美末环境交互的程序化动画学习

写在前面:
真正实现这些细枝末节的东西的时候才能感受到这种技术力的恐怖。
——致敬顽皮狗工作室
插件安装


为角色添加组件





右手同理
状态机脚本编写


BaseState.cs
using UnityEngine;
using System;

/// <summary>
/// 状态基类,定义了状态机中所有状态的基本行为规范
/// 泛型参数EEState限制为枚举类型,用于表示具体的状态类型
/// </summary>
/// <typeparam name="EState">状态枚举类型,继承自Enum</typeparam>
public abstract class BaseState<EState> where EState : Enum
{
    //构造函数
    public BaseState(EState key)
    {
      StateKey = key;
    }
    public EState StateKey { get; private set; }

    public abstract void EnterState();
    public abstract void ExitState();
    public abstract void UpdateState();
    public abstract EState GetNextState();
    public abstract void OnTriggerEnter(Collider other);
    public abstract void OnTriggerStay(Collider other);
    public abstract void OnTriggerExit(Collider other);
}NewBaseState.cs
using UnityEngine;
using System;
using System.Collections.Generic;

/// <summary>
/// 状态管理器泛型抽象类
/// </summary>
/// <typeparam name="EState">状态枚举类型,需继承自Enum</typeparam>
public abstract class StateManager<EState> : MonoBehaviour where EState : Enum
{
    // 存储所有状态的字典,键为状态枚举,值为对应的状态实例
    protected Dictionary<EState, BaseState<EState>> States = new Dictionary<EState, BaseState<EState>>();
    // 当前激活的状态
    protected BaseState<EState> CurrentState;

    // 标志位:是否处于状态切换中
    protected bool IsTransitioningState = false;

    void Start()
    {
      CurrentState.EnterState();
    }

    void Update()
    {
      EState nextStateKey = CurrentState.GetNextState();

      if (!IsTransitioningState && nextStateKey.Equals(CurrentState.StateKey))
      {
            // 如果当前状态和下一状态相同,则更新当前状态
            CurrentState.UpdateState();
      }
      else if(!IsTransitioningState)
      {
            // 不同,则切换到下一状态
            TransitionToState(nextStateKey);
      }
    }

    /// <summary>
    /// 状态切换方法,用于从当前状态切换到目标状态
    /// </summary>
    /// <param name="stateKey">目标状态的枚举标识</param>
    protected virtual void TransitionToState(EState stateKey)
    {
      IsTransitioningState = true;

      // 退出当前状态
      CurrentState.ExitState();
      // 进入目标状态
      CurrentState = States;
      CurrentState.EnterState();

      IsTransitioningState = false;
    }

    /// <summary>
    /// 当碰撞体进入触发器时调用的方法,转发给当前状态处理
    /// </summary>
    /// <param name="other">进入触发器的碰撞体</param>
    void OnTriggerEnter(Collider other)
    {
      CurrentState.OnTriggerEnter(other);
    }

    /// <summary>
    /// 当碰撞体持续处于触发器中时调用的方法,转发给当前状态处理
    /// </summary>
    /// <param name="other">处于触发器中的碰撞体</param>
    void OnTriggerStay(Collider other)
    {
      CurrentState.OnTriggerStay(other);
    }

    /// <summary>
    /// 当碰撞体退出触发器时调用的方法,转发给当前状态处理
    /// </summary>
    /// <param name="other">退出触发器的碰撞体</param>
    void OnTriggerExit(Collider other)
    {
      CurrentState.OnTriggerExit(other);
    }
}Animation Rigging

Rig Builder组件要放在Animator的同级



Rig放置的位置


环境交互状态机的编写



EnvironmentInteractionStateMachine
using UnityEngine;
using UnityEngine.Animations.Rigging;
using UnityEngine.Assertions;   //调试用


public class EnvironmentInteractionStateMachine : StateManager<EnvironmentInteractionStateMachine.EEnvironmentInteractionState>
{
    // 环境交互状态
    public enum EEnvironmentInteractionState
    {
      Search,   // 搜索状态
      Approach, // 接近状态
      Rise,   // 起身状态
      Touch,    // 触碰状态
      Reset   // 重置状态
    }

    private EnvironmentInteractionContext _context;

    // 约束、组件等引用
    private TwoBoneIKConstraint _leftIkConstraint;
    private TwoBoneIKConstraint _rightIkConstraint;
    private MultiRotationConstraint _leftMultiRotationConstraint;
    private MultiRotationConstraint _rightMultiRotationConstraint;
    private CharacterController characterController;

    void Awake()
    {
      ValidateConstraints();

      _context = new EnvironmentInteractionContext(_leftIkConstraint, _rightIkConstraint, _leftMultiRotationConstraint, _rightMultiRotationConstraint, characterController);
    }

    // 校验各类约束、组件是否正确赋值
    private void ValidateConstraints()
    {
      Assert.IsNotNull(_leftIkConstraint, "Left IK constraint 没有赋值");
      Assert.IsNotNull(_rightIkConstraint, "Right IK constraint 没有赋值");
      Assert.IsNotNull(_leftMultiRotationConstraint, "Left multi-rotation constraint 没有赋值");
      Assert.IsNotNull(_rightMultiRotationConstraint, "Right multi-rotation constraint 没有赋值");
      Assert.IsNotNull(characterController, "characterController used to control character 没有赋值");
    }


}EnvironmentInteractionContext用来管理各种属性
using UnityEngine;
using UnityEngine.Animations.Rigging;

public class EnvironmentInteractionContext
{
    private TwoBoneIKConstraint _leftIkConstraint;
    private TwoBoneIKConstraint _rightIkConstraint;
    private MultiRotationConstraint _leftMultiRotationConstraint;
    private MultiRotationConstraint _rightMultiRotationConstraint;
    private CharacterController _characterController;

    public EnvironmentInteractionContext(
      TwoBoneIKConstraint leftIkConstraint,
      TwoBoneIKConstraint rightIkConstraint,
      MultiRotationConstraint leftMultiRotationConstraint,
      MultiRotationConstraint rightMultiRotationConstraint,
      CharacterController characterController)
    {
      _leftIkConstraint = leftIkConstraint;
      _rightIkConstraint = rightIkConstraint;
      _leftMultiRotationConstraint = leftMultiRotationConstraint;
      _rightMultiRotationConstraint = rightMultiRotationConstraint;
      _characterController = characterController;
    }

    // 外部可以访问的属性
    public TwoBoneIKConstraint LeftIkConstraint => _leftIkConstraint;
    public TwoBoneIKConstraint RightIkConstraint => _rightIkConstraint;
    public MultiRotationConstraint LeftMultiRotationConstraint => _leftMultiRotationConstraint;
    public MultiRotationConstraint RightMultiRotationConstraint => _rightMultiRotationConstraint;
    public CharacterController CharacterController => _characterController;
}从ResetState开始
using UnityEngine;

public class ResetState : EnvironmentInteractionState
{
    // 构造函数
    public ResetState(EnvironmentInteractionContext context, EnvironmentInteractionStateMachine.EEnvironmentInteractionState estate) : base(context, estate)
    {
      EnvironmentInteractionContext Context = context;
    }
    public override void EnterState(){}
    public override void ExitState() { }
    public override void UpdateState() { }
    public override EnvironmentInteractionStateMachine.EEnvironmentInteractionState GetNextState()
    {
      return StateKey;
    }
    public override void OnTriggerEnter(Collider other) { }
    public override void OnTriggerStay(Collider other) { }
    public override void OnTriggerExit(Collider other) { }
}EnvironmentInteractionStateMachine中加入初始化函数
    void Awake()
    {
        //原来的代码

      InitalizeStates();
    }    /// <summary>
    /// 初始化状态机
    /// </summary>
    private void InitalizeStates()
    {
      //添加状态
      States.Add(EEnvironmentInteractionState.Reset, new ResetState(_context, EEnvironmentInteractionState.Reset));
      States.Add(EEnvironmentInteractionState.Search, new SearchState(_context, EEnvironmentInteractionState.Search));
      States.Add(EEnvironmentInteractionState.Approach, new ApproachState(_context, EEnvironmentInteractionState.Approach));
      States.Add(EEnvironmentInteractionState.Rise, new RiseState(_context, EEnvironmentInteractionState.Rise));
      States.Add(EEnvironmentInteractionState.Touch, new TouchState(_context, EEnvironmentInteractionState.Touch));

      //设置初始状态为Reset
      CurrentState = States;

    }
状态机运行正常
环境检测


1.在角色身上创建一个稍大于臂展的碰撞盒

EnvironmentInteractionStateMachine
    void Awake()
    {
      ///原来的代码

      ConstructEnvironmentDetectionCollider();
    }    /// <summary>
    /// 创建一个环境检测用的碰撞体
    /// </summary>
    private void ConstructEnvironmentDetectionCollider()
    {
      // 碰撞体大小的基准值
      float wingspan = characterController.height;

      // 给当前游戏对象添加盒型碰撞体组件
      BoxCollider boxCollider = gameObject.AddComponent<BoxCollider>();

      // 设置碰撞体大小为立方体,各边长度等于翼展
      boxCollider.size = new Vector3(wingspan, wingspan, wingspan);

      // 设置碰撞体中心位置
      // 基于角色控制器的中心位置进行偏移:
      // Y轴方向上移翼展的25%,Z轴方向前移翼展的50%
      boxCollider.center = new Vector3(
            characterController.center.x,
            characterController.center.y + (.25f * wingspan),
            characterController.center.z + (.5f * wingspan)
      );

      // 将碰撞体设置为触发器模式(用于检测碰撞而非物理碰撞响应)
      boxCollider.isTrigger = true;
    }

2.碰撞体触发器的交互机制


[*]角色进入 “触发器区域” → OnTriggerEnter 触发(一次)
[*]角色持续待在区域内 → 每帧触发 OnTriggerStay
[*]角色离开区域 → OnTriggerExit 触发(一次)



3.找到离角色更近的一侧,用来决定后面开启哪边的IK

在EnvironmentInteractionContext加入:判断碰撞相交位置更靠近哪一侧

    // 身体两侧
    public enum EBodySide
    {
      RIGHT,
      LEFT
    }    // 当前IK约束
    public TwoBoneIKConstraint CurrentIkConstraint { get; private set; }
    // 当前多旋转约束
    public MultiRotationConstraint CurrentMultiRotationConstraint { get; private set; }
    // 当前IK控制的目标位置
    public Transform CurrentIkTargetTransform { get; private set; }
    // 当前肩部骨骼
    public Transform CurrentShoulderTransform { get; private set; }
    // 当前身体的侧边(左或右)
    public EBodySide CurrentBodySide { get; private set; }

    /// <summary>
    /// 根据传入位置,判断目标更靠近左侧还是右侧肩部,设置当前身体的侧边
    /// </summary>
    /// <param name="positionToCheck">需要检测的目标位置</param>
    public void SetCurrentSide(Vector3 positionToCheck)
    {
      // 左肩部骨骼
      Vector3 leftShoulder = _leftIkConstraint.data.root.transform.position;
      // 右肩部骨骼
      Vector3 rightShoulder = _rightIkConstraint.data.root.transform.position;

      // 标志位:目标位置是否更靠近左侧
      bool isLeftCloser = Vector3.Distance(positionToCheck, leftShoulder) <
                            Vector3.Distance(positionToCheck, rightShoulder);
      if (isLeftCloser)
      {
            CurrentBodySide = EBodySide.LEFT;
            CurrentIkConstraint = _leftIkConstraint;
            CurrentMultiRotationConstraint = _leftMultiRotationConstraint;
      }
      else
      {
            CurrentBodySide = EBodySide.RIGHT;
            CurrentIkConstraint = _rightIkConstraint;
            CurrentMultiRotationConstraint = _rightMultiRotationConstraint;
      }
      // 记录当前肩部骨骼 和 IK控制的目标位置
      CurrentShoulderTransform = CurrentIkConstraint.data.root.transform;
      CurrentIkTargetTransform = CurrentIkConstraint.data.target.transform;
    }EnvironmentInteractionState
    /// <summary>
    /// 启动 IK 目标位置追踪
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,作为追踪关联对象</param>
    protected void StartIkTargetPositionTracking(Collider intersectingCollider)
    {
      //只有碰撞体的层级为Interactable时才进行IK目标位置追踪
      if (intersectingCollider.gameObject.layer == LayerMask.NameToLayer("Interactable"))
      {
            // 最近的碰撞点
            Vector3 closestPointFromRoot = GetClosestPointOnCollider(intersectingCollider, Context.RootTransform.position);
            // 设置当前更靠近的侧面(根据最近的碰撞点)
            Context.SetCurrentSide(closestPointFromRoot);
      }

    }

    /// <summary>
    /// 更新 IK 目标位置
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,依据其状态更新目标位置</param>
    protected void UpdateIkTargetPosition(Collider intersectingCollider)
    {

    }

    /// <summary>
    /// 重置 IK 目标位置追踪
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,针对其执行追踪重置</param>
    protected void ResetIkTargetPositionTracking(Collider intersectingCollider)
    {

    }这里要用到一个新的变量RootTransform用来在GetClosestPointOnCollider()方法中传入参数positionToCheck
EnvironmentInteractionContext
    // 根对象
    private Transform _rootTransform;构造函数要加入这个变量
    public EnvironmentInteractionContext(
      TwoBoneIKConstraint leftIkConstraint,
      TwoBoneIKConstraint rightIkConstraint,
      MultiRotationConstraint leftMultiRotationConstraint,
      MultiRotationConstraint rightMultiRotationConstraint,
      CharacterController characterController,
      Transform rootTransform)
    {
      _leftIkConstraint = leftIkConstraint;
      _rightIkConstraint = rightIkConstraint;
      _leftMultiRotationConstraint = leftMultiRotationConstraint;
      _rightMultiRotationConstraint = rightMultiRotationConstraint;
      _characterController = characterController;
      _rootTransform = rootTransform;
    }    public Transform RootTransform => _rootTransform;当然,在EnvironmentInteractionStateMachine中也要传入这个变量
Awake()
      _context = new EnvironmentInteractionContext(_leftIkConstraint, _rightIkConstraint, _leftMultiRotationConstraint, _rightMultiRotationConstraint, characterController,transform.root);写一下ResetState的GetNextState()的下一状态切换逻辑
    public override EnvironmentInteractionStateMachine.EEnvironmentInteractionState GetNextState()
    {
      // 下一个状态为 SearchState
      return EnvironmentInteractionStateMachine.EEnvironmentInteractionState.Search;
      //return StateKey;
    }注意:

在SearchState的OnTriggerEnter()中调用StartIkTargetPositionTracking()启动 IK 目标位置追踪
    public override void OnTriggerEnter(Collider other) {
      // 进入搜索状态时,开始跟踪目标位置
      StartIkTargetPositionTracking(other);
    }测试一下功能是否正常:


效果倒是正常,不过这是我调试好久发现的问题,只有挂载rigidbody的物体才会触发Trigger回调函数,正常来说只要一方有rigidbody就能触发,不知道为什么这里会出现这个问题,角色身上的这个触发器肯定是rigidbody,那已经满足条件了,为什么还要其他物体也要挂载rigidbody,想不明白。。。
不过实现了就好,后面再排查问题吧,先完成最要紧
4.解决一下在狭窄通道走过的时候,左右频繁触发的问题

EnvironmentInteractionContext
    // 当前交互的碰撞体
    public Collider CurrentIntersectingCollider { get; set; }EnvironmentInteractionState
    /// <summary>
    /// 启动 IK 目标位置追踪
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,作为追踪关联对象</param>
    protected void StartIkTargetPositionTracking(Collider intersectingCollider)
    {
      //只有碰撞体的层级为Interactable && 当前没有可交互的碰撞体 时才进行IK目标位置追踪
      // 防止频繁触发
      if (intersectingCollider.gameObject.layer == LayerMask.NameToLayer("Interactable") && Context.CurrentIntersectingCollider == null)
      {
            // 记录当前碰撞体
            Context.CurrentIntersectingCollider = intersectingCollider;
            // 最近的碰撞点
            Vector3 closestPointFromRoot = GetClosestPointOnCollider(intersectingCollider, Context.RootTransform.position);
            // 设置当前更靠近的侧面(根据最近的碰撞点)
            Context.SetCurrentSide(closestPointFromRoot);
      }
    }    /// <summary>
    /// 重置 IK 目标位置追踪
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,针对其执行追踪重置</param>
    protected void ResetIkTargetPositionTracking(Collider intersectingCollider)
    {
      if(intersectingCollider == Context.CurrentIntersectingCollider)
      {
            Context.CurrentIntersectingCollider = null;
      }
    }SearchState
    public override void OnTriggerEnter(Collider other) {
      Debug.Log("Trigger:Enter");
      // 进入搜索状态,开始跟踪目标位置
      StartIkTargetPositionTracking(other);
    }
    public override void OnTriggerStay(Collider other) { }
    public override void OnTriggerExit(Collider other) {
      Debug.Log("Trigger:Exit");
      // 退出搜索状态,停止跟踪目标位置
      ResetIkTargetPositionTracking(other);
    }5.设置IK的目标位置

EnvironmentInteractionContext
    // 相交碰撞体的最近点——默认值设为无穷大
    public Vector3 ClosestPointOnColliderFromShoulder { get; set; } = Vector3.positiveInfinity;EnvironmentInteractionState
    /// <summary>
    /// 设置 IK 目标位置
    /// </summary>
    /// <param name="targetPosition"></param>
    private void SetIkTargetPosition()
    {
      // 最近的碰撞点
      Context.ClosestPointOnColliderFromShoulder = GetClosestPointOnCollider(Context.CurrentIntersectingCollider, Context.CurrentShoulderTransform.position);
    }    /// <summary>
    /// 启动 IK 目标位置追踪
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,作为追踪关联对象</param>
    protected void StartIkTargetPositionTracking(Collider intersectingCollider)
    {
      //只有碰撞体的层级为Interactable && 当前没有可交互的碰撞体 时才进行IK目标位置追踪
      // 防止频繁触发
      if (intersectingCollider.gameObject.layer == LayerMask.NameToLayer("Interactable") && Context.CurrentIntersectingCollider == null)
      {
            // 原来的代码不变


            //设置IK目标位置
            SetIkTargetPosition();
      }
    }    /// <summary>
    /// 更新 IK 目标位置
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,依据其状态更新目标位置</param>
    protected void UpdateIkTargetPosition(Collider intersectingCollider)
    {
      // 在接触过程中,一直更新IK目标位置
      if (Context.CurrentIntersectingCollider == intersectingCollider)
      {
            SetIkTargetPosition();
      }
    }SearchState
    public override void OnTriggerStay(Collider other) {
      // 跟踪目标位置
      UpdateIkTargetPosition(other);
    }然后在EnvironmentInteractionStateMachine中加入可视化
    /// <summary>
    /// 当物体被选中时调用Gizmos绘制
    /// </summary>
    private void OnDrawGizmosSelected()
    {
      Gizmos.color = Color.red;

      // 在最近碰撞点处绘制一个红色的球
      if (_context != null && _context.ClosestPointOnColliderFromShoulder != null)
      {
            Gizmos.DrawSphere(_context.ClosestPointOnColliderFromShoulder, 0.03f);
      }
    }
新的问题出现了:
当角色行走的时候,由于身体会浮动,这个最近的碰撞点也在上下浮动,后面加上动画会出现手一直在墙上 上下乱摸。。。
6.解决最近碰撞点上下浮动问题

其实加一个变量记录一下角色的肩高就行,设定ik位置的时候传入该参数,这个点的高度就保持不变了
EnvironmentInteractionContext的构造函数加入一个角色的肩部高度变量
    public EnvironmentInteractionContext(
      TwoBoneIKConstraint leftIkConstraint,
      TwoBoneIKConstraint rightIkConstraint,
      MultiRotationConstraint leftMultiRotationConstraint,
      MultiRotationConstraint rightMultiRotationConstraint,
      CharacterController characterController,
      Transform rootTransform)
    {
      _leftIkConstraint = leftIkConstraint;
      _rightIkConstraint = rightIkConstraint;
      _leftMultiRotationConstraint = leftMultiRotationConstraint;
      _rightMultiRotationConstraint = rightMultiRotationConstraint;
      _characterController = characterController;
      _rootTransform = rootTransform;

      CharacterShoulderHeight = leftIkConstraint.data.root.transform.position.y;
    }    // 角色的肩部高度,用来约束Ik的高度
    public float CharacterShoulderHeight { get; private set; }EnvironmentInteractionState传入目标位置的参数的y轴改成角色肩高CharacterShoulderHeight
    /// <summary>
    /// 设置 IK 目标位置
    /// </summary>
    /// <param name="targetPosition"></param>
    private void SetIkTargetPosition()
    {
      // 最近的碰撞点
      Context.ClosestPointOnColliderFromShoulder = GetClosestPointOnCollider(Context.CurrentIntersectingCollider,
            // 目标位置:上半身的xz位置 角色肩高的y位置(高度位置)
            new Vector3(Context.RootTransform.position.x, Context.CharacterShoulderHeight, Context.RootTransform.position.z));
    }问题解决

7.在离开当前碰撞体后,重置Ik的目标位置为无穷大

EnvironmentInteractionState
    /// <summary>
    /// 重置 IK 目标位置追踪
    /// </summary>
    /// <param name="intersectingCollider">相交的碰撞体,针对其执行追踪重置</param>
    protected void ResetIkTargetPositionTracking(Collider intersectingCollider)
    {
      if(intersectingCollider == Context.CurrentIntersectingCollider)
      {
            // 重置当前碰撞体为空
            Context.CurrentIntersectingCollider = null;
            // 重置IK目标位置为无穷大
            Context.ClosestPointOnColliderFromShoulder = Vector3.positiveInfinity;
      }
    }效果:

8.开始对手部的IK组件目标位置进行更新

注意:需要为ik的目标位置加一个法向的偏移,防止手部穿模(因为手是有厚度的,不是纸片人)
EnvironmentInteractionState
    /// <summary>
    /// 设置 IK 目标位置
    /// </summary>
    /// <param name="targetPosition"></param>
    private void SetIkTargetPosition()
    {
      // 最近的碰撞点
      Context.ClosestPointOnColliderFromShoulder = GetClosestPointOnCollider(Context.CurrentIntersectingCollider,
            // 目标位置:上半身的xz位置 角色肩高的y位置(高度位置)
            new Vector3(Context.RootTransform.position.x, Context.CharacterShoulderHeight, Context.RootTransform.position.z));

      #region 让手部的IK目标移动到这个最近碰撞点
      // 1. 射线方向:从“最近碰撞点”指向“当前肩部位置”的向量
      Vector3 rayDirection = Context.CurrentShoulderTransform.position
                           - Context.ClosestPointOnColliderFromShoulder;
            // Unity 中向量的运算:Vector3 终点 - Vector3 起点

      // 2. 归一化,得到单位向量
      Vector3 normalizedRayDirection = rayDirection.normalized;

      // 3. 偏移距离,防止手部穿模
      float offsetDistance = 0.05f;

      // 4. 最终要到达的位置:在“最近碰撞点”基础上,加上 沿rayDirection射线方向偏移 offsetDistance 距离
      Vector3 targettPosition = Context.ClosestPointOnColliderFromShoulder
            + normalizedRayDirection * offsetDistance;

      // 5. 更新 IK 目标位置
      Context.CurrentIkTargetTransform.position = targettPosition;
      #endregion
    }如果把权重一开始就拉到1,效果是这样的:

当然,我们还得根据具体的状态写Ik权重的控制脚本
每个具体状态的Ik控制逻辑的脚本编写

也就是根据状态决定是否/怎样更新手部Two Bone IK Constraint的权重

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