UnrealEngine摄像机系统简析

FeastSC · 发表于 2023-2-23 14:34

1. 摄像机系统的主要功能

在游戏中，摄像机是玩家观察游戏世界的眼睛。

区别一下玩家和角色的概念，玩家是指通过输入设备体验游戏的真实个体，而角色则是指游戏世界中被操纵的虚拟个体。

摄像机的位置和朝向分别决定了玩家观察的位置和方向，而摄像机的视野、远近裁剪面等属性则决定了玩家观察的范围。UnrealEngine使用POV（Point of View）来代指这些会影响玩家观察游戏世界的属性。

POV原是一种电影拍摄的模式，指的是镜头相当于叙事主体的眼睛，所有被摄的内容看上去都是在以主体人的眼睛所看到的内容。

如何管理摄像机的切换、更新摄像机的视点、朝向和视野等属性，让玩家可以平滑流畅地观察游戏世界、欣赏游戏内容，是摄像机系统最主要的功能。
<hr/>2. UE的摄像机系统框架

UE的摄像机系统类图如下所示：

摄像机系统类图

从上面的类图不难看出，APlayerCameraManager是整个摄像机系统的核心，其他相关的类负责向APlayerCameraManager提供数据，或者从APlayerCameraManager获取数据。
APlayerCameraManager所管理的最重要的数据是FTViewTarget，它记录了摄像机的跟随对象Target以及摄像机的属性数据POV。

总的来说，UE的摄像机系统框架的主要流程如下：

每个APlayerController对象（包括服务器上的）都会在PostInitializeComponents方法里创建APlayerCameraManager对象，并初始化ViewTarget；
UWorld在Tick时会调用APlayerController的UpdateCameraManager方法，最终驱动APlayerCameraManager在UpdateCamera方法里不断更新ViewTarget；
更新完游戏逻辑之后，在调用UGameViewportClient的Draw方法渲染画面时，会通过ULocalPlayer的CalcSceneView方法，最终从APlayerCameraManager中获取ViewTarget中的POV数据用于渲染；

<hr/>3. ViewTarget的管理

3.1 初始化ViewTarget

用于渲染画面的POV需要依赖Target才能计算，所以初始化ViewTarget的主要目的是确认初始Target。
在创建APlayerCameraManager时，APlayerController会先调用APlayerCameraManager的SetViewTarget方法将Target设置为自己。
随后，在APlayerController创建并在创建自己所控制的Pawn之后，则会在OnPossess方法中通过AutoManageActiveCameraTarget方法将Target设置为APlayerController所控制的APawn。

正因如此，在Play之后，游戏默认展示的画面是角色身上所挂摄像机的渲染内容，而不是其他摄像机。

3.2 切换Target

APlayerCameraManager允许通过调用SetViewTarget方法来切换Target。如果需要在不同的Target之间平滑切换，只需要在传入新Target的同时传入BlendTime不为0的FViewTargetTransitionParams即可。

值得注意的是，如果设置了平滑切换，那么APlayerCameraManager并不会直接更新ViewTarget.Target，而是将其设置到PendingViewTarget.Target中，等待平滑切换结束之后再将其设置为ViewTarget.Target。

虽然平滑切换结束前，新Target不会被设置到ViewTarget.Target，但逻辑上APlayerCameraManager认为Target切换已经完成了。此时，通过APlayerCameraManager的GetViewTarget方法，将会直接返回PendingViewTarget.Target。

另外一个值得注意的点是，每次更新Target时，都会调用FTViewTarget的CheckViewTarget方法来记录PlayerState。这主要有两个目的：

校验Target是否合法，只允许是APawn、APlayerController或者是APlayerState；
确保玩家在切换不同控制的角色时（如观战其他玩家），可以将Target切换到当前玩家控制的角色身上；

APawn在被AController调用Possess方法控制时，会调用PossessedBy方法将自身的PlayerState设置成Controller的PlayerState。因此，无论玩家切换到哪个控制的角色，都可以通过PlayerState快速找到当前控制的APawn。

3.3 更新POV

APlayerCameraManager在UpdateCamera方法里完成POV的更新，主要流程如下：

其中，UpdateViewTarget方法是计算POV数据的主要方法，具体步骤如下：
（1）首先判断Target是否为CameraActor，如果是则直接找到挂载的UCameraComponent，并调用UCameraComponent的GetCameraView方法；

从这里可以看到，UCameraComponent里并没有渲染逻辑，其主要功能是为APlayerCameraManager提供POV数据；

（2）如果Target不为CameraActor，那么允许通过修改CameraStyle的值执行自定义POV数据的计算逻辑；

UE默认提供了以下五种，可以根据需要额外新增，并添加相应的POV数据计算逻辑；

（3）如果CameraStyle为默认值NAME_NONE，或者没有与其对应的计算逻辑，将会调用默认的UpdateViewTargetInternal方法；

BlueprintUpdateCamera方法是可以在蓝图中自定义实现的接口，可以直接覆盖相机的表现；

（4）如果没有在蓝图中自定义实现BlueprintUpdateCamera方法，那么将会调用Target的CalcCamera方法；

默认情况下，将会遍历所有Attach在AActor上的UCameraComponent，然后找到第一个激活的UCameraComponent调用其GetCameraView方法获取POV数据。如果找不到符合条件的UCameraComponent，那么将会直接调GetActorEyesViewPoint方法提供玩家观察的位置的朝向；
因此，如果AActor上有多个UCameraComponent，可以通过设置UCameraComponent激活（不激活）来实现切换摄像机的功能。

（5）最后，判断是否需要调用ApplyCameraModifiers方法对POV数据进行修正，得到最终的POV数据；

APlayerCameraManager允许动态增加、删除UCameraModifier，且多个UCameraModifier可以同时生效；

3.4 小结

总的来说，APlayerCameraManager负责管理用于渲染的ViewTarget数据，而诸如UCameraComponent、APawn和UCameModifier等相关的类都是为了更加方便地管理ViewTarget数据而被设计出来分别承担不容职责的类。
理解了这一点，在阅读UE的摄像机系统源码时往往会起到事半功倍的效果。
<hr/>4. 摄像机的控制

4.1 角色的旋转控制

在讨论摄像机的控制之前，需要先简单了解一下角色的旋转控制。
以UE的FirstPersonProject为例，在其示例Character的SetupPlayerInputComponent方法中，需要完成BindAction操作，玩家才可以使用鼠标控制其旋转。
查阅其处理鼠标输入逻辑的代码，发现并没有直接修改角色的Rotation，而是将鼠标输入直接转发给控制该角色的APlayerController，由APlayerController将其存到RotationInput字段中。

那玩家是如何使用鼠标来控制角色的旋转的呢？
通过查找RotationInput字段的引用，可以发现APlayerController在TickActor时，会调用到UpdateRotation方法，使用RotationInput计算出ControlRotation，并调用其控制角色的FaceRotation方法。

而在APawn的FaceRotation方法中，可以看到角色会根据配置是否使用ControlRotation来修改自身的Rotation，这便是角色旋转控制的主要流程。

4.2 摄像机的旋转控制

用于观察角色的摄像机通常都会直接Attach在该角色身上，摄像机的旋转受该角色的控制，这是最简单的情况。
但大部分情况下，摄像机的旋转与角色的旋转并不完全一致，例如在FPS中，摄像机跟随角色移动，但角色不可以上下旋转，而摄像机则可以跟随玩家输入的控制上下旋转。
此时，简单的Attach显然无法满足要求。UE作为一个从FPS游戏中诞生的游戏引擎，自然在底层提供了相应的支持。
从UCameraComponent的GetCameraView方法可以看到，UCameraComponent允许通过设置bUsePawnControlRotation字段来修正其Rotation。

又因为APawn的GetViewRotation方法默认返回APlayerController的ControlRotation，从而确保UCameraComponent的旋转受输入控制，而非受角色控制。

此时，只需要通过配置让角色的水平旋转也受输入控制，便可以实现摄像机与角色在水平方向上的旋转保持一致。

小Tips：
如果还记得3.2 更新POV的内容，那么就知道UWorld的每次Tick最终都会调用当前正在使用的UCameraComponent的GetCameraView方法。
因此，如果勾选了UCameraComponent的bUsePawnControlRotation，那么所有针对该UCameraComponent的Rotation修改逻辑都不会生效，因为GetCameraView方法会强制将其Rotation覆盖为APlayerController的ControlRotation。

4.3 更加复杂的旋转控制

在使用第三人称视角的游戏中，摄像机的旋转逻辑常常更为复杂，如镜头需要在旋转的过程中拉近或者拉远等，简单地用玩家输入直接控制摄像机的旋转显然是满足不了需求的。
此时，则需要自定义更为复杂的逻辑来实现摄像机的旋转控制，如UE提供的弹簧臂组件（USpringArmComponent）。

4.3.1 弹簧臂组件的使用
弹簧臂组件（USpringArmComponent）的主要功能控制其子对象的旋转，并确保其子对象与自身保持一个固定距离。如果发生碰撞，将缩短子对象与自身的距离，否则将回弹至固定距离。
因此，在使用USpringArmComponent时，需要确保UCameraComponent挂在USpringArmComponent上，并将USpringArmComponent挂在角色身上。

如果需要使用USpringArmComponent控制UCameraComponent的旋转，那么一定要确保将UCameraComponent的bUsePawnControlRotation设置为false，原因可以见4.2 摄像机的旋转控制。

值得注意的是，USpringArmComponent同样提供了bUsePawnControlRotation字段来判断是否使用APlayerController的ControlRotation作为其子对象的Rotation，否则将默认使用自己的ComponentRotation（因为Attach在角色上，所以实际上这就是角色的朝向）。

4.3.2 其他的自定义逻辑
当然，对于其他复杂的需求，可以自定义相应的控制逻辑实现。
总的来说，可以添加自定义逻辑的地方有三处。虽然它们都可以修改POV数据，达到控制摄像机的效果，但各自推荐使用的场景却略有区别：
（1）在APlayerCameraManger的UpdateViewTarget方法中自定义新的CameraStyle，并添加相应的POV处理逻辑；

影响范围最大的方式。通常推荐用于切换不同的镜头表现逻辑时使用，如从移动时的跟随镜头切换到处决时的特写镜头等；

（2）创建新的UActorComponent，用于修改UCameraComponent的位置和朝向；

影响范围最小的方式。通常推荐于UCameraComponent的位置和朝向有额外修改需求时使用，如在加速时缩短角色与摄像机的距离等；

（3）自定义UCameraModifier，并将其添加到APlayerCameraManager的ModifierList中修改POV数据；

影响范围较大的方式。与修改UCameraComponent的位置和朝向最大的区别在于，修改UCameraComponent的位置和朝向通常只会针对某些特定的角色生效，而自定义UCameraModifier则在所有情况下都会生效；

<hr/>参考文档

LRyir：UE4 里的 Camera 系统
yori：UE4 Camera系统使用与源码分析
UE4摄像机系统解析_Jerish_C的博客-CSDN博客_ue freecam
devwuyu：摄像机管理器 - APlayerCameraManager

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