Unity 3D脚本编程与游戏开发（2.1）

3.2.4 射线的使⽤⽅法

        在实际游戏开发时，不可避免地要⽤到各种射线检测。即便是⼀个不怎么⽤到物理系统的游戏，也很可能要⽤到射线检测机制。换句话说，射线检测在现代游戏开发中应⽤得⾮常⼴泛，超越了物理游戏的范围。下⾯简单举⼏个例⼦。
        （1）游戏中有单击地⾯的操作，因此要发射射线以确定是否点中了可单击区域和单击位置的坐标。
        （2）在判定⼦弹或技能是否击中⽬标时，如果采⽤碰撞体需要考虑⼦弹速度，且存在穿透问题，⽽射线是没有速度的（瞬时发⽣），不仅易于使⽤，⽽且综合效率更⾼。
        （3）在3D动作游戏或2D动作游戏中，判断玩家是否落地时，可以向⾓⾊脚下发射射线；判断玩家是否接触墙壁时，可以往左右两侧发射射线；判断玩家是否需要低头时，可以往头顶发射射线；判断玩家是否需要攀爬时，同样也可以采⽤射线检测的⽅法。

        （4）因为射线与视线⼀样会被障碍物阻挡，所以在游戏AI设计中，可以⽤射线模拟AI⾓⾊的视线。
        注意，上所述的各种射线检测都是以物理系统为基础的。射线需要与碰撞体和触发器配合才能发挥出作⽤。
        下⾯来介绍⼀下射线编程⽅法。
        常⽤的直线型射线⽤类型Ray表⽰。Ray包含了origin（起点）和direction（⽅向）的定义，起点和⽅向都⽤Vector3类型表⽰，前者是⼀个坐标，后者是⼀个表⽰⽅向的向量。
        有很多⽅法可以在游戏世界中发射⼀条射线，最常⽤的⽅法是Physics.Raycast()和Physics.RaycastAll()。由于实践中有各式各样的具体应⽤场景，因此Physics.Raycast()⽅法的重载有10种以上，不过实际⼤同⼩异，例如以下3种。

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction);
bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance);
bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance, int
layerMask);

        以上3个函数共同的参数都是发射点坐标和⽅向向量，返回值都是是否击中了某个碰撞体或触发器。
        第3个参数maxDistance的作⽤是指定射线的最⼤⻓度。虽然名字叫作“射线”，但与⼏何中的射线不同，这⾥的“射线”更多是“发射”的意思。例如游戏中经常通过往⾓⾊脚下发射很短的射线（0.01，代表1厘⽶）来判断⾓⾊是否站在地上。
        除了指定⽅向和位置的射线以外，以下还有⼀类很常⽤的重载形式。

bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo);
bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance);
bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, int
layerMask);

这种形式的射线检测⽤了⼀种常⽤结构体Ray（射线），它只是将射线数据对象先单独创建出来，并没有实际区别。Ray对象有多种创建⽅法，例如以下⽅法。
 

// 创建从原点向上的射线
Ray ray = new Ray(Vector3.zero, Vector3.up);// 获得当前⿏标指针在屏幕上的位置（单位是像素）
Vector2 mousePos = Input.mousePosition;
// 创建⼀条射线，起点是摄像机位置，⽅向指向⿏标指针所在的点（隐含了从屏幕到世界的坐标转
换）
Ray ray2 = Camera.main.ScreenPointToRay(mousePos);
// 之后可以将ray或ray2发射出去，例如：
Physics.Raycast(ray, 10000, LayerMask.GetMask("Default"));

        这些重载形式的第2个参数，即类型为RaycastHit的参数hitInfo也很有⽤，它保存着详细的碰撞信息，如碰撞点的配置、法线等。碰撞信息会在第3.2.6⼩节重点详细讲解。

3.2.5 层和层遮罩

        很多时候，需要射线仅被某些物体阻挡，例如希望检测地⾯的射线只检测地⾯，⽽不要检测其他东⻄，也就是说应当穿过地⾯以外的东⻄。那么这⾥就要⽤到Layer和Layer Mask（层遮罩）的概念了。
        “层”的概念让物理系统变得更加好⽤和实⽤。例如⼀条⼦弹射线，仅让它碰到Ground（地⾯）、Player（玩家⾓⾊）和Obstacle（障碍物）这3个层，⽽不会和其他层的物体碰撞，其编写代码如下。

int mask = LayerMask.GetMask("Ground", "Player", "Obstacle");
if (Physics.Raycast(transform.position, Vector3.forward, mask))
{
// 碰到了物体
}

        某些读者可能会很好奇，“与某3层碰撞”这⼀条件竟然⽤⼀个int就能表⽰。这其实是⼀种⼆进制的妙⽤，⽤⼀个int最多可以表⽰32个层的遮罩，Layer和Tag最多也只有32个，这不是巧合。
        如果让mask表⽰这3层以外的所有层，则⽤⼀个⼆进制的取反运算即可，其⽅法如下。

mask = ~mask; // 英⽂波浪线，代表⼆进制取反
有时需要改变物体所在的层，如将⼀个物体设置在Default层上，其⽅法如下。
gameObject.layer = LayerMask.NameToLayer("Default");

        可以通过函数LayerMask.NameToLayer()将层名称转化为整数表⽰的层，也可以⽤函数LayerMask.LayerToName()将表⽰层的整数转化为层名字。

3.2.6 射线编程详解

1. 射线碰撞信息
        前⽂举例的函数的返回值仅仅是“是否碰到了物体”，⽽⽆法确定碰撞点是哪⾥，也不知道碰到的物体是哪⼀个。射线检测其实有着丰富的碰撞信息，如可以获取到碰撞点坐标、被碰撞物体的所有信息，甚⾄可以获取到碰撞点的法线（碰撞点所在物体平⾯的朝向）。这些丰富的碰撞信息，都被保存在RaycastHit结构体中。例如，以下⼏个Raycast()函数的重载可以获取到碰撞信息。

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo,
float
maxDistance);
bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo,
float
maxDistance, int layerMask);
bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, int
layerMask);

综合⽤法演⽰如下。
private void TestRay()
{
// 声明变量，⽤于保存碰撞信息
RaycastHit hitInfo;
// 发射射线，起点是当前物体的位置，⽅向是世界前⽅
if (Physics.Raycast(transform.position, Vector3.forward, out
hitInfo))
{
// 如果确实碰到物体，会运⾏到这⾥。没碰到物体就不会
// 获取碰撞点的坐标（世界坐标）
Vector3 point = hitInfo.point;
// 获取对⽅的碰撞体组件
Collider coll = hitInfo.collider;
// 获取对⽅的Transform组件
Transform trans = hitInfo.transform;
// 获取对⽅的物体名称string name = coll.gameObject.name;
// 获取碰撞点的法线向量
Vector3 normal = hitInfo.normal;
}

        以上例⼦基本涵盖了能从hitInfo中获取到的信息，更多碰撞信息可以查阅Raycastlift结构体的定义。
        2. 其他形状的射线
        射线不仅可以有⻓度，还可以有粗细和形状。除了前⾯所提到的直线射线，还有球形射线、盒⼦射线和㬵囊体射线，如图3-7所⽰。

与发射射线类似，各种形状的射线也有很多种函数重载，以下是⼏种常⽤的重载形
式。
// 球形射线：
bool SphereCast(Ray ray, float radius);
bool SphereCast(Ray ray, float radius, out RaycastHit hitInfo);
// 盒⼦射线：
bool BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction);
bool BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction, out
RaycastHit hitInfo, Quaternion orientation);
// 㬵囊体射线：
bool CapsuleCast(Vector3 point1, Vector3 point2, float radius, Vector3
direction);
bool CapsuleCast(Vector3 point1, Vector3 point2, float radius, Vector3
direction,
out RaycastHit hitInfo, float maxDistance);

        可以看出，球形射线、盒⼦射线和㬵囊体射线的发射函数与直线型射线是类似的。区别在于，球形射线需要指定球的半径；盒⼦射线需要指定盒⼦的中⼼点和盒⼦的半边⻓（边⻓的⼀半），如果有必要再加上盒⼦的朝向；㬵囊体的形状更为复杂，需要⽤point1、point2和radius（半径）这3个参数指定㬵囊体的起点和形状。
        在实践中有各种不同的需求和情况，在必要时可以进⼀步查阅相关资料，并对参数的⽤法做实际的试验。本⼩节的最后还会介绍射线调试的⼀些技巧。
3. 穿过多个物体的射线
        有时需要射线在遇到第⼀个物体时不停⽌，继续前进，最终穿过多个物体。使⽤Physics.RaycastAll()函数可以获取到射线沿途碰到的所有碰撞信息，该函数的返回值是RaycastHit数组。

RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray, float maxDistance);
RaycastHit[] RaycastAll(Vector3 origin, Vector3 direction, float
maxDistance);
RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray, float maxDistance, int layerMask);
RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray);

        同样，也有球形穿越射线、盒⼦穿越射线和㬵囊体穿越射线，函数名称分别为SpherecastAll、BoxcastAll和CapsulecastAll。
4. 区域覆盖型射线（Overlap）
        有时需要检测⼀个空间范围，例如炸弹爆炸时，范围10⽶之内的物体都会受到波及，那么这⾥需要的就不是⼀条射线，⽽是⼀个半径为10⽶的球形区域。物理系统也提供了这类函数，它们均以Physics.Overlap开头，列举如下。

Collider[] OverlapBox(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Quaternion
orientation, int layerMask);
Collider[] OverlapCapsule(Vector3 point0, Vector3 point1, float radius, int
layerMask);
Collider[] OverlapSphere(Vector3 position, float radius, int layerMask);

        以球形覆盖检测OverlapSphere()为例，调⽤该函数时，会返回原点为position、半径为radius的球体内，满⾜⼀定条件的碰撞体集合（以数组表⽰），⽽这个球体称为“3D相交球”。
5. 射线调试技巧
        射线检测函数类型多、重载多、参数多，可能会让读者看得⼀头雾⽔。在实际游戏开发中，虽然这些参数不容易填写正确，但也有很好的⽅法可以提⾼编程的效率。这个⽅法就是使⽤Debug.DrawLine()函数和Debug.DrawRay()函数，将看不⻅的射线以可视化的形式表现出来，⽅便查看参数是否正确。Debug.DrawLine()函数和Debug.DrawRay()函数的常⽤形式如下。

void DrawLine(Vector3 start, Vector3 end, Color color);
void DrawLine(Vector3 start, Vector3 end, Color color, float duration);
void DrawRay(Vector3 start, Vector3 dir, Color color);
void DrawRay(Vector3 start, Vector3 dir, Color color, float duration);

        Debug.DrawLine()函数通过指定线段的起点、终点和颜⾊（默认红⾊），绘制⼀条线段；Debug.DrawRay函数则是通过指定起点和⽅向向量，绘制⼀条射线。两者的⽤法是相似的。
        使⽤时要注意，发射射线时，参数通常为起点、⽅向向量和⻓度，⽽DrawLine()⽅法⽤的是起点和终点。应正确使⽤向量加法，避免看到的线条与实际射线不⼀致。下⾯举个例⼦以供读者参考。

// 以⼀个简单的射线为例
Raycast(起点, ⽅向向量, ⻓度);
// 对应的可视化线条DrawLine(起点, 起点+⽅向向量.normalized * ⻓度, Color.red);
// 其中nomalized是将向量标准化，即⽅向不变⻓度变为1

        需要说明的是，这种绘制⽅法仅在开发期⽣效，不会出现在最终的游戏发布版中。在默认情况下，该辅助线仅在编辑器的场景窗⼝中可⻅。如果要在Game窗⼝中看到它，则需要单击Game窗⼝右上⾓的Gizmos（辅助线框）按钮，⽽且⽆论怎么设置，它都不会出现在最终的游戏发布版中。
        以上函数的最后⼀个参数，即持续时间（duration）可以省略，省略后这条参考线只出现⼀帧。如果在代码中每帧都绘制线条，那么就可以省略该参数。如果这个线条只出现⼀帧且看不清，则可以填写⼀个较⼤的持续时间（单位是秒），让射线停留在屏幕上⽅以便查看。