Unity基础教程-物体运动（九）——游泳（Moving and Floating in Water

清天灵月

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本文重点内容：
1、检测水体
2、应用水的阻力和浮力
3、在水中游泳，包括水面上和水面下
4、让物体漂浮

这是关于控制角色移动的系列教程的第九部分。它让物体能够漂浮在水中并在水中移动。

本教程是CatLikeCoding系列的一部分，原文地址见文章底部。

本教程使用Unity 2019.4.1f制作。它还使用了ProBuilder包。

Unity升级我已经升级到Unity 2019.4 LTS和ProBuilder 4.2.3版本，所以一些视觉效果有所改变。

泳池里玩的愉快
1 水
很多游戏都有水，并且大都是可以游泳的。然而，对于交互式水没有现成的解决方案。PhysX并不直接支持它，所以我们必须自己创造一个水的近似值。
1.1 水场景
为了演示水，我创建了一个包含游泳池的场景。它有多种岸形，两个水面，两个水隧道，一座水桥，还有一些你可以在水下行走的地方。我们的水也可以在任意重力下工作，但这个场景使用简单的均匀重力。
泳池
水面由具有半透明蓝色材质的单面平网格制成。从上方可见，但从下方看不到。
水表面
水的体积必须用设置为触发器的碰撞器来描述。我在大部分的体积中使用了没有网格的盒碰撞器，比需要的尺寸稍微大一些，所以水中不会有任何缝隙。一些地方需要更复杂的ProBuilder网格来建造适当的体积。这些也必须设置为触发器，这可以通过ProBuilder窗口中的set Trigger选项来完成。注意，作为触发器的网格碰撞器必须是凸的。
而凹面网格会自动生成将其包裹起来的凸面版本，但是会导致它超出所需水体积的地方。弯曲的水桥就是一个例子，为此我制作了一个简化的凸碰撞体。
水碰撞体
1.2 忽略触发器的碰撞
所有水体积对象都在Water层，应将其排除在运动球体和轨道摄影机的所有layer mask中。常规情况下，我们目前拥有的两个物理查询也仅用于常规碰撞器，而不是触发器。可以通过“Physics / Queries Hit ”项目设置来配置是否检测触发器。无论我们现在有什么，我们都不想使用代码来检测触发器，因将可以将配置明确化。
第一个查询在MovingSphere.SnapToGround中。将QueryTriggerInteraction.Ignore添加为射线投射的最终参数。
其次，对OrbitCamera.LateUpdate中的box进行同样的操作。
1.3 检测水
我们现在可以在水里移动，就好像水不存在一样。但是为了支持游泳，我们必须检测它。通过检查我们是否处于Water层上的触发区来做到这一点。首先在MovingSphere中添加一个Water Mask，以及一个swimming材质，我们将使用它来显示它在水中。
Water mask 和swimming 材质设置
然后添加一个InWater属性，该属性指示该球体是否在水中。最初，我们将其设为简单的get / set属性，并在ClearState中将其重置为false。
如果我们不攀爬，则在“Update”中选择swimming材质。
最后，通过添加OnTriggerEnter和OnTriggerStay方法完成对水的检测。它们像OnCollisionEnter和OnCollisionStay一样工作，但它们做用于碰撞器，并且具有Collider参数而不是Collision。两种方法都应检查碰撞器是否在Water层上，如果是，请将IsSwimming设置为true。
当球在水中的时候显示蓝色材质

何时调用trigger 方法？
所有on-trigger方法都在所有on-collision方法之前被调用。

2 浸入
仅仅知道我们的球体是否与水相交，还不足以使其正常游泳或漂浮。我们需要知道其中有多少被淹没了，然后我们可以用它来计算阻力和浮力。
2.1 浸入深度
让我们添加一个submergence 浮点类型的字段来跟踪球体的淹没状态。值零表示没有水接触，而值1表示完全在水下。然后更改InWater，使其仅返回浸水是否为正。在ClearState中将其设置回零。
更改触发器方法，以便它们调用新的EvaluateSubmergence方法，该方法现在仅将submergence 设置为1。
2.2 浸入范围
我们应该让淹没范围变为可配置化的。这样，就可以精确地控制何时球体算在水中以及何时完全浸入水中。可以从球体中心上方的偏移点开始测量，一直到最大范围。这样一来，即使我们接触水面，也可以在整个球体进入该区域之前将其完全淹没，或者完全忽略水坑之类的低水位。
偏移和范围
使偏移量和范围可配置。使用0.5和1作为默认值，以匹配我们的半径0.5球体的形状。范围应为正。
浸入的偏移和范围
现在，我们必须使用Water Mask在EvaluateSubmergence中执行射线检测，从偏移点一直向下直至浸入范围。因为我们需要检测是否hit了水，因此请使用QueryTriggerInteraction.Collide。然后，浸入等于1减去击中距离除以范围。
要测试浸入值，为球执行临时着色。


浸入 不正确
到球刚好完全浸入的那一刻都是没有问题的，但从那之后，因为我们从一个点投射的射线已经在水的碰撞器里面了，所以它会检测失败。但那也表面球体已经完全的浸入水中了，所以，如果射线没有击中任何东西的话，就设置submergence 为1。
但是，由于物体位置与PhysX检测到触发时的位置不同，因此从水中移出时可能会导致无效的submergence为1，这是由于碰撞和触发方法的调用延迟所致。我们可以通过将射线的长度增加一个单位来防止这种情况。这不是完美的，但几乎可以解决所有情况，除非移动速度非常快。退出水时，这将导致submergence变为负数，这也没问题，因为这样也不算在水中。
浸水，正确
现在我们可以去掉浸水的可视化了。
请注意，此方法假设球体中心正下方有水。当球体碰到水体积的侧面或底部时（例如，碰到不真实的水墙时），情况可能并非如此。在这种情况下，我们需要立即进入完全淹没状态。
2.3 水阻力
在水中的运动比在陆地上更缓慢，因为水产生的阻力比空气大得多。加速度明显较慢，减速较快。让我们添加对阻力的支持，并通过添加一个water drag选项来进行配置，默认设置为1。范围从0到10是可以的，因为10会造成巨大的阻力。
水阻力
我们将使用简单的线性阻尼，类似于PhysX。将速度缩放1减去阻力乘以时间增量。在调用AdjustVelocity之前，请在FixedUpdate中执行此操作。我们首先应用阻力，以便始终可以加速。
请注意，这意味着如果水阻力等于1除以固定时间步长，则速度会在单个物理步长中下降为零。如果速度变大，速度将反转。由于我们将最大值设置为10，因此这不会成为问题。为了安全起见，你可以确保速度至少缩放为零。
如果我们没有完全浸没在水里，我们就不会有最大的阻力。所以需要把阻尼的浸没系数引入其中。
水阻力10
2.4 浮力
水的另一个重要属性是事物倾向于将其漂浮在水中。因此，将可配置的浮力值添加到我们的球体中，最小值为零，默认值为1。想法是，浮力为零的物体像石头一样下沉，只是 被水拖慢了速度。浮力为1的对象处于平衡状态，完全消除了重力。浮力大于1的物体会浮到水面。2的浮力意味着它的上升和正常下降的速度一样快。
浮力
我们通过检查不是攀爬但在水中并在FixedUpdate中实现这个功能。如果满足条件，则应用按1减去浮力的比例缩放的重力，再次将其考虑在内。这将覆盖重力的所有其他应用。
浮力1.5
请注意，实际上，向上的力随着深度的增加而增加，而在我们的例子中，一旦达到最大淹没深度，向上的力就会保持不变。这足以创造出令人信服的浮力，除非在极深的水域。
浮力似乎失败的唯一情况是球体最终距离底部太近。在这种情况下，地面弹跳被激活，抵消了浮力。如果我们在水中，我们可以通过中止SnapToGround来避免这种情况。
3 游泳
现在我们可以在水中漂浮了，下一步就是支持游泳，其中应该包括潜水和浮潜。
3.1 游泳阈值
我们只有在水足够深的时候才能游泳，但我们不需要完全沉入水中。因此，让我们添加一个可配置的游泳阈值，它定义游泳所需的最小潜水深度。它必须大于0，所以使用0.01 1作为它的范围，0.5作为默认值。如果球体的下半部分在水下，它就能游动。还要添加一个游泳属性，指示是否达到游泳阈值。
游泳阈值
调整Update，以便我们仅在游泳时使用游泳材质。
接下来，创建一个CheckSwimming方法，该方法返回我们是否正在游泳，如果是，则将地面接触计数设置为零，并使接触法线等于上轴。
检查我们是否接触地面时，在CheckClimbing之后立即在UpdateState中调用该方法。这样一来，除了攀登外，游泳优先。
然后从SnapToGround中删除检查是否在水中。当我们在水中而不是在游泳时，这使得捕捉动作再次起作用。
3.2 游泳速度
为游泳增加一个可配置的最大速度和加速度，默认设置为5。
最大的游泳速度和加速度
在AdjustVelocity中，检查攀爬后再检查是否在水中。如果是这样，请使用与通常情况相同的轴使用游泳加速度和速度。
我们在水里的部分越深，就越应该依靠游泳的加速和速度而不是常规的速度。因此，我们将根据一个游泳参数在规则值和游泳值之间进行插值，这个参数就是潜水深度除以游泳阈值，其最大值被限制为1。
至于加速度是正常加速度还是空气加速度取决于我们是否在地面上。
游泳，浮力1.1
3.3 潜水和浮潜
现在，我们可以像在地面或空中一样在游泳时移动，因此受控运动被限制在平面上。垂直运动目前由重力和浮力共同作用。为了控制垂直运动，我们需要第三个输入轴。通过将UpDown轴添加到我们的输入设置中（通过复制“Horizontal ”或“Vertical”）来支持这一点。为正按钮使用了空格（用于跳跃的键），为负按钮使用了X。然后在游泳时将playerInput字段更改为Vector3并将其Z分量设置为Update中的UpDown轴，否则设置为零。从现在开始，我们必须使用Vector3的ClampMagnitude版本。
找到当前和新的Y速度分量，并在AdjustVelocity结束时使用它们来调整速度。这与X和Z相同，但仅在游泳时才执行。
上下游泳，浮力为1
3.4 攀爬和跳跃
在水下攀爬或跳跃应该很困难。我们可以通过在游泳时忽略玩家的更新输入来拒绝这两种情况。必须明确地抑制攀爬的欲望。跳跃会重置本身。如果在下一次Update之前出现了多个物理步长，攀爬运动在游泳时仍然有可能保持活跃，但这也没关系，因为这是在过渡到游泳时发生的，所以准确的时间并不重要。为了爬出水面，玩家只需在按下攀爬按钮的同时游上去，然后攀爬就会在某个时候启动。
虽然站在浅水里有跳的可能，但这还是有点困难。我们通过将跳跃速度减小1减去浸没除以游泳阈值，以最小为零来模拟这一点。
3.5 在流动的水中游泳
在本教程中我们不会考虑水流，但我们应该处理整体移动的水体积，因为它们是动画的，就像我们所站或攀爬的常规移动的几何体。为了使之成为可能，我们通过碰撞器来评估碰撞收敛，如果我们最终在游泳，就使用它的附着刚体作为连接体。如果在浅水区，我们会忽略它。
如果连接到水体，则不应在EvaluateCollision中将其替换为另一个水体。实际上，我们根本不需要任何连接信息，因此我们可以在游泳时跳过EvaluateCollision中的所有工作。
在运动的立方体“水”中，游泳加速度为10
4 漂浮物
现在我们的球体可以游泳了，如果有一些漂浮物可以互动，那就太好了。再次，我们必须自己对此进行编程，方法是将其支持添加到已经支持自定义重力的现有组件中。
4.1 浸没
像MovingSphere一样，向CustomGravityRigidbody添加可配置的浸入偏移，浸入范围，浮力，水阻和水面罩，就像MovingSphere一样，但我们不需要游泳加速度，速度或阈值。
立方体的Submergence 设置，scale为0.25
接下来，我们需要一个submergence 字段。如果需要，可在应用重力之前在FixedUpdate的末尾将其重置为零。确定浸入时，我们还需要知道重力，因此也要在域上对其进行跟踪。
然后添加所需的触发方法以及EvaluateSubmergence方法，该方法的作用与以前相同，只是我们仅在需要时才计算上轴并且不支持连接的物体。
即使漂浮在水中，物体仍然可以进入休眠状态。如果是这种情况，那么我们可以跳过评估浸没程度。因此，如果物体正在休眠，请不要在OnTriggerStay中调用EvaluateSubmergence。我们仍然在OnTriggerEnter中执行此操作，因为这样可以确保进行更改。
4.2 漂浮
在FixedUpdate中，如果需要的话，应该应用水的阻力和浮力。在本例中，我们通过单独的AddForce调用来应用浮力，而不是将其与普通重力结合使用。
我们还将阻力应用于角速度，以使对象在漂浮时不会保持旋转。
漂浮物
浮动对象现在可以在浮动时以任意旋转结束。通常，物体会以最轻的一面朝上的方式漂浮。我们可以通过添加可配置的浮力偏移矢量（默认设置为零）来模拟。
然后，通过调用AddForceAtPosition而不是AddForce，在此时应用浮力而不是对象的原点，并将偏移量转换为单词空间作为新的第二个参数。
由于重力和浮力现在作用于不同的点，因此它们会产生角动量，从而将偏移点推到顶部。较大的偏移会产生更强的效果，这会导致快速振荡，因此应将偏移保持较小。
轻微的浮力偏移
4.3 和漂浮物交互
当在有漂浮物的水中游泳时，轨道摄像机会来回晃动，因为它试图停留在物体的前面。可以通过添加一个与常规图层类似的透视图层来避免这种情况，只是将轨道摄像机设置为忽略它。
See-through透视层
这一层应该只用于小到可以忽略的对象，或者与很多对象交互的对象。
把漂浮物推开

当透明的物体挡住视线时，我们能让它们隐形吗？
是的，我们可以检测到它，可以用来更改对象的可视化。但是，这不是本教程的一部分。

4.4 固定漂浮物
我们目前的方法对于小的对象很有效，但是对于较大的和不统一的对象看起来就不那么好了。例如，当球体与大型浮动块相互作用时，它们应该保持更稳定。为了增加稳定性，我们必须在更大的区域内扩展浮力效应。这需要更复杂的方法，因此复制CustomGravityRigidbody并将其重命名为StableFloatingRigidbody。用偏移向量数组替换浮力偏移量。将submergence 转换成一个数组，并在Awake中创建它，其长度与偏移数组相同。
调整EvaluateSubmergence，以便它分别评估所有浮力偏移的浸入度。
然后让FixedUpdate也对每个偏移量应用阻力和浮力。阻力和浮力都必须除以偏移量，因此最大效果保持不变。对象所经历的实际效果取决于淹没总量。
通常，对于任何盒子形状，四个点就足够了，除非它们很大或经常部分掉出水面。请注意，偏移量随对象缩放。同样，增加对象的质量使其更稳定。
4个稳定点的漂浮物
4.5 加速升空
如果一个点在离水面足够高的地方结束，那么它的光线投射将失败，这使得它被错误地认为完全淹没了。对于拥有多个浮力点的大型物体来说，这是一个潜在的问题，因为有些物体可能会浮在水面上，而另一部分仍在水下。结果就是最高点最终会悬浮起来。你可以通过将一个大而轻的物体部分推出水面来看到现象。
被推离之后变为悬浮状态
问题存在的的原因是因为物体的一部分仍然接触水。为了解决这个问题，当射线投射无法检查该点本身是否在水体积之内时，我们必须执行一个额外的查询。这可以通过调用Physics.CheckSphere并将其位置和小半径（例如0.01）作为参数，然后加上遮罩和交互模式来完成。仅当该查询返回true时，我们才应将submergence 设置为1。但是，这可能会导致很多额外的查询，因此，让我们通过添加可配置的安全浮动开关将其设为可选。仅对于可以充分推入水中的大型物体才需要。
安全的浮动表现
下一章节，环境交互。
本文翻译自 Jasper Flick的系列教程
原文地址：
https://catlikecoding.com/unity/tutorials