用threejs制作一款简单的赛车游戏

最近业务比较忙，但是我们追求3D世界的脚步不能停下来~某天在路上看到一辆辆飞驰而过的汽车，想到要不要弄一个赛车类的游戏没有再用原生。

而是使用了threejs，毕竟大点的3D项目，再用原生就是自己给自己找麻烦了……

本文从0到1讲解了这个游戏的开发过程，其中没有专门的介绍webgl和threejs，没有基础的同学可以结合threejs文档一起看，或者先学习一下webgl的基础知识~

游戏地址如下：
https://vorshen.github.io/simpleCar/


操作如下：

w前进

a、d左右转

space减速可漂移

目前游戏的碰撞检测没有做完(后续会更新进行完善)，只会进行汽车左边与赛道中两条边进行碰撞检测。

具体哪里下面会说~大家也可以通过亲自试玩来找到哪两条边

下面我们就来从0到1去实现这个赛车游戏~
注意：文中出现的代码片段是有作用域的！！为了配合讲解上下文而删减了其他的内容！

完整代码地址如下：
https://github.com/vorshen/simpleCar

1、游戏准备

首先我们要选择做一款什么游戏，如果是公司级的游戏项目，那开发基本是没有选择权的。自己做着练手那就可以按自己喜好来了。

我之所以选择赛车来举例子：

首先是因为赛车游戏比较简单，没有过多的素材要求。

毕竟是个人开发，没有专门的设计大大提供模型，模型得自己去找。

其次是赛车游戏简单闭环的成本低，有车，有跑道，能跑起来其实就是一款最简单的游戏了。

所以最终就决定了做一款一切从简的赛车游戏，接下来我们要寻找素材

2、素材准备

在网上扒了很久，找到了一款不错的汽车obj文件，贴图啥的都有，不过有的颜色还没上，用blender进行补齐一下



汽车素材有了，接下来就是赛道的。赛道最早的想法是动态生成，类似之前那个迷宫游戏一样，正规的赛车游戏肯定没法动态生成，因为赛道都需要定制的，有很多细节的东西，比如贴图风景之类的。

我们这个练手项目追求不了那么酷炫，所以可以考虑一下动态生成。
动态生成的好处就是每次刷新后玩都是一个新的地图，可能新鲜度会高一些。

动态生成的也有两种玩法，一种是用一块板不停的去平铺，板的顶点信息

[-1,0,1, 1,0,1, 1,0,-1, -1,0,-1]

用俯视图看起来就是下面这样



但是这个有一个很不好的，就是弯道太粗糙了，每个弯道都是直角，不怎么好看。就换一个方案。

obj建两个模型，分别是直道、转弯，如图



然后这两个个模型不停的去平铺

用2D看起来就像下面这样



看起来这个是可行的，但是！真实实现之后发现还是不好！

首先赛道没法回头了，因为我们y轴是固定的，没有上下坡的概念。

一旦赛道回头新的道路碰到已有的道路就会乱，变成岔路的感觉

其次针对随机要做很多的控制，否则可能出现弯道过于频繁，如图



兼容了一会，发现很是操蛋，所以决定还是自己建一个赛道模型，自己动手丰衣足食，如图



再次安利下blender还是很好用的~

在这里设计赛道的时候有一个弯道设计的太难了，不减速无法无碰撞过弯……相信试玩一圈肯定能找到是哪一个弯~

3、threejs

准备工作都弄完了，接下来就是撸代码啦

不知道之前原生webgl开发大家还记得不，很繁琐对不对，这次我们用了threejs，可就方便很多了。

不过还是要说一下，推荐先把原生webgl弄熟一些再去接触threejs，否则可能会有很大的依赖性，而且对图形学的一些基础会不牢固。

我们第一步创建整个场景世界

这些是使用threejs必须要有的，比我们自己原生去创建program，shader，再各种编译绑定方便了很多。

接下来我们要把模型给导入进去。上次有写过一个简单的objLoader，这次我们用threejs自带的。

首先加载mtl文件，生成材质之后再加载obj文件，非常的方便。 注意这里我们把赛车加入到场景之后要调整一下position.zy，地面在我们这个世界中y轴坐标为-5

上一段代码可以看出摄像机开始的z坐标为0，我们将赛车的z坐标初始设置为-20

同理再导入赛道文件，此时我们访问的话，会发现一片漆黑，如图



这是为什么呢？

神说要有光！

本身赛道和赛车是没有颜色的，需要用材质+光出现颜色。

原生webgl中制作光也比较麻烦，还需要写shader，threejs又是很方便啦

我们只需要如下代码：



刷新一下我们整个是世界亮堂堂起来了！(注意，这里我们用的是环境光+平行光，后续我们会改成其他的光，原因也会给出)，可是是不是少了一点什么？对！还少了阴影，

但是阴影我们放在下一节再说，因为这里阴影的处理没有光那么简单。

抛开阴影，我们可以理解为一个静态的世界已经完成了，有赛车有赛道

下面来做事件处理。



我们没有用键盘事件相关的库，就几个键，自己裸写一下。代码应该还是很好懂的。

按下w就意味着踩油门，car的run属性置为true，tick中就要进行加速；同理a按下修改了rSpeed，在tick中car的rotation将会有所变化。
代码如下：



很方便，配合一些数学计算去修改car的rotation、position就ok了，比原生webgl自己实现各种变换矩阵方便多了，不过要知道threejs底层也还是通过matrix去变化的。

简单总结一下这一节，我们用threejs去完成了整个世界的布局，然后通过键盘事件让汽车也可以动起来了，不过我们还缺少很多东西。

4、特性功能

这节主要说的是threejs无法实现或者threejs无法简单实现的功能。

先总结一下第三节结束之后，我们还欠缺的能力

a、摄像机跟随

b、轮胎细节

c、阴影

d、碰撞检测

e、漂移

下面一一道来

摄像机跟随

刚才我们成功让赛车移动了起来，但是我们的视角没有动，车仿佛在渐渐远离我们。

视角是由摄像机控制的，之前我们创建了一个摄像机，现在我们要让它跟随着赛车运动。摄像机和赛车的关系如下面这两幅图





也就是说
摄像机的rotation和赛车的rotation是对应的，但是赛车无论转向(rotation)还是移动(position)也都得去改变摄像机的position！这个对应关系要弄清楚



在car的tick方法中，根据car本身的position和rotation，去算出camera的位置，20就是当赛车没有旋转时，摄像机和赛车的距离(第三节开头有说过)。

代码结合上面的图一起理解好点，这样就实现了摄像机的跟随。

轮胎细节

轮胎细节需要是为了体验出偏航角时的真实性，不知道偏航角没有关系，就理解为漂移时的真实性就好了，如下图



其实普通转向的时候，也是应该轮胎先行，车身再动，但我们这边由于视角的问题就省略掉了。

这里核心就是车身方向和轮胎方向的不一致。不过这时候坑爹的就来了，threejs的rotation比较僵硬，它无法指定任意旋转轴。

要么就是用rotation.xyz的方式旋转坐标轴，要么就是rotateOnAxis的方式选择一条通过原点的轴进行旋转。所以我们只能对轮胎进行随车旋转，无法自转。如图



那么我们想自转，首先需要把轮胎模型给单独抽出来，变成这样，如图





然后我们发现，自转可以了，随车旋转没了……那么我们就要建立一个父级关系，随车的旋转是父级去做，自转是轮胎本身去做的

代码如下：



图的演示是这样的

阴影

之前我们把阴影给跳过了，说没有光那么简单。其实阴影在threejs中实现，本身比webgl原生实现简单了好几个level。

看下threejs中阴影的实现，需要三步

1、光源计算阴影

2、物体计算阴影

3、物体承载阴影

这三步就可以让你的场景中出现阴影

如下代码：



但是！我们这里是动态阴影，可以理解为整个场景都要在不断的变化。这样threejs中阴影就麻烦一些了，需要我们进行一些额外的处理。

首先我们知道我们的光是平行光，平行光可以看成太阳光，覆盖整个场景的。但是阴影不行啊，阴影需要通过正射矩阵去算的！那么问题来了，我们整个场景非常的大，正射矩阵如果想覆盖整个场景，你的帧缓冲图也非常的大，否则阴影会很不真实。

其实无需考虑到这一步，因为帧缓冲图压根就不能那么大，一定会卡成狗。

那怎么办？我们就得动态的去改变正射矩阵！

整个过程可以理解为这样的





我们只考虑到了赛车在地面的阴影，所以正射矩阵只保证可以完整包含赛车就可以了。

墙壁没有去考虑，其实按完美来说墙壁也应该有阴影的，需要把正射矩阵拉大一点

但是！threejs中平行光就没有镜面反射的效果了，整个赛车晓得不够生动，所以我就尝试把平行光改成了点光源（路灯的感觉？），然后让点光源也一直跟随着赛车。

这样看起来整体就好了很多，之前说的更换光类型原因也就是在这~

碰撞检测

不知道大家找到了哪几条边有碰撞检测了没，其实是这几条边~



红色的这几条边和赛车的右边有碰撞检测，不过碰撞检测做的很随意，一旦碰上了就当作撞毁……直接速度置0重新出现了。

确实是偷懒，因为碰撞检测好搞，但这种赛车碰撞反馈在不接入物理引擎的情况下实在不好搞，要考虑很多，如果单纯看成一个圆就会方便很多。

所以我这次先给大家说碰撞检测，如果想有很好的反馈……还是接入成熟的物理引擎比较好。

赛车和赛道的碰撞检测，我们先得把3D转成2D去看，因为我们这边也没什么障碍物上下坡啥的，简单嘛



2D碰撞，我们可以去检测赛车的左右边和障碍物的边



首先我们有了赛道的2D数据，再去动态获得赛车的左右边，拿去检测

获取左边的代码

这个和摄像头的概念有点类型，不过数学计算上麻烦一些

线和线的碰撞检测我们就用三角形面积法，最快的线与线碰撞检测

碰上之后呢？虽然我们没有完美的反馈，但是基本的也应该有啊，我们将速度置0重新出现，总得把赛车方向重置正确对不对？ 否则玩家就一直在撞了……重置方向的用赛车本来的方向向量，去投影到碰撞边，得出的向量就是重置的方向

漂移

赛车没有漂移，就好像就是打开一款网络游戏发现网线断了一样，我们这边不去考虑漂移过弯和正常过弯到底哪个快，有兴趣的同学可以查一查，还挺有意思的。

先说明三点结论
1、漂移赛车游戏的核心之一(帅)，不做不行

2、漂移一大核心是出弯方向更佳，不需要扭动车头(其他好处和坏处略，因为这个在视觉上看起来是最直观的)

3、网上没有现成很好用的漂移算法(不考虑unity)，所以需要我们来模拟漂移

模拟的话，我们就先要知道漂移的原理，还记得之前我们说的偏航角么？偏航角就是漂移在视觉上的体验：

规范一点说偏航角就是赛车运动方向和车头朝向方向不一致时，差异的角就叫做偏航角，所以我们的模拟漂移呢，需要做到两步：

1、产生偏航角，在视觉上让玩家感受到漂移

2、出弯方向正确，在真实性上让玩家感受到。总不至于玩家一个漂移后发现过弯更难受……

下面就针对这两点进行模拟，其实知道了目的，还是很好模拟的偏航角的产生，我们就要去维护两个方向，一个是车身真正的旋转方向realRotation，一个是赛车真正的运动方向dirRotation(摄像机跟随的也是这个！)

在平时这两个值都是一样的，但是一旦用户按下space，就要开始有所变化

此时偏航角已经产生

用户松开space的时候，两个方向要开始统一，此时切记一定是dirRotation朝着realRotation统一的，否则漂移出弯的意义就没啦



结尾

时间关系，写的不是那么细节，不过核心的地方基本上也都写了，如果有问题可以留言讨论~

这个游戏还是有非常多的不足与缺陷，后续我还会优化完善，感兴趣的同学可以持续关注~

感谢您的阅读~
文章转载自AlloyTeam：http://www.alloyteam.com/2017/09/13139/