胡杭

（溫州大學(xué)數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，溫州 325035）

0 引言

近年來，隨著移動(dòng)設(shè)備的不斷發(fā)展，手機(jī)端游戲越來越受到大家的青睞。App Annie數(shù)據(jù)顯示，移動(dòng)游戲市場(chǎng)2018年在全球的規(guī)模達(dá)到了700億美元，增長(zhǎng)速度達(dá)到26%。

Unity3D游戲引擎是一款全球領(lǐng)先的專業(yè)游戲開發(fā)引擎，在游戲開發(fā)領(lǐng)域占有著極大的比重，具有簡(jiǎn)單易上手、功能豐富等特點(diǎn)。Unity3D引擎中集成了大量的開發(fā)工具，利用這些工具可以大幅度縮短開發(fā)周期[1]。另外，Unity3D具有跨平臺(tái)開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)人員只需要一次開發(fā)，就可以將項(xiàng)目部署到多個(gè)平臺(tái)，包括Windows、iOS和Android這些主流的平臺(tái)，大大縮短了游戲開發(fā)周期[2]。

塔防游戲作為一款經(jīng)典游戲，被許多玩家所喜愛。塔防游戲中面對(duì)敵軍的入侵，玩家可以建造一系列的防守道具來抵御入侵，最終取得游戲的勝利。目前游戲市場(chǎng)上有諸多塔防類游戲，例如植物大戰(zhàn)僵尸、皇家守衛(wèi)軍等。這幾款游戲在可玩性和策略性上占有著很大的優(yōu)勢(shì)，也深受廣大玩家所喜愛。但由于許多這類游戲是基于2D平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的，因此在游戲畫質(zhì)，游戲代入感方面并不是很出色。

本文針對(duì)2D塔防游戲存在的一些局限性問題，使用3D引擎進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)。在保證可玩性與策略性的基礎(chǔ)上，使用3D模型代替2D模型，增加視野控制功能，優(yōu)化游戲畫質(zhì)，增強(qiáng)游戲的趣味性。

1 游戲模塊設(shè)計(jì)

塔防游戲功能模塊劃分如圖1所示。

圖1 游戲總體模塊結(jié)構(gòu)圖

加載模塊：加載模塊主要實(shí)現(xiàn)加載界面，游戲場(chǎng)景加載時(shí)的一個(gè)過渡效果，能夠顯示當(dāng)前場(chǎng)景的加載進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)異步交互，提供給玩家一個(gè)反饋，能夠增強(qiáng)玩家的游戲體驗(yàn)。

商城模塊：增加商城模塊可以增加游戲的策略性。商城用于購(gòu)買各種游戲道具，購(gòu)買道具需要一定量的鉆石，鉆石可從游戲中獲取，也可以通過充值操作進(jìn)行充值。購(gòu)買的道具可在游戲中進(jìn)行使用，不同的道具有不同的效果，對(duì)于游戲的局勢(shì)可以產(chǎn)生一定的影響。

升級(jí)模塊：增加升級(jí)模塊是另一種增強(qiáng)游戲策略性的方式。升級(jí)模塊可以進(jìn)行各類炮塔的升級(jí)，每種炮塔的升級(jí)都能對(duì)炮塔的屬性進(jìn)行一定的加持，玩家可以定制自己的升級(jí)策略。升級(jí)需要消耗一定數(shù)量的星星，星星的獲得是視游戲通關(guān)的情況而定，例如每次關(guān)卡完美通關(guān)可獲得3個(gè)星星。升級(jí)模塊可以促使玩家通過不斷提升關(guān)卡等級(jí)來解鎖新的升級(jí)策略。

道具模塊：道具模塊主要用于商城購(gòu)買道具的施放。商城模塊主要注重購(gòu)買，而道具模塊注重道具施放。例如，萬箭齊發(fā)道具可以向指定區(qū)域發(fā)射大量弓箭，造成物理傷害；龍卷風(fēng)道具可以在指定區(qū)域形成龍卷風(fēng)，造成范圍魔法傷害。

魔法模塊：為了使游戲更具特色，增加了魔法模塊。例如，治療魔法可以恢復(fù)1點(diǎn)生命值；減速魔法可以使指定區(qū)域敵人行進(jìn)速度降低一段時(shí)間。魔法不消耗物品，但是具有冷卻時(shí)間，只有冷卻時(shí)間完成之后，魔法才可以使用。因此，如何有效地運(yùn)用魔法，需要從游戲整體策略上進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

玩家進(jìn)入游戲主界面后，會(huì)呈現(xiàn)出已經(jīng)解鎖的關(guān)卡，玩家可以通過不斷地通關(guān)當(dāng)前關(guān)卡來解鎖下一個(gè)關(guān)卡。在關(guān)卡選擇界面，玩家可以進(jìn)入商城和升級(jí)模塊，商城模塊可以進(jìn)行道具的購(gòu)買，升級(jí)模塊可以指定相應(yīng)的升級(jí)策略。每一次戰(zhàn)斗都需要建立不同的炮塔防線來阻止敵軍的進(jìn)攻?？梢酝ㄟ^加速按鈕加速游戲的進(jìn)程，通過暫停按鈕暫停游戲進(jìn)程。每當(dāng)戰(zhàn)斗勝利，便會(huì)得到一定的游戲獎(jiǎng)勵(lì)。

2 游戲?qū)崿F(xiàn)

2.1 Unity 3D游戲引擎

Unity3D引擎具有諸多模塊，這里列舉了一些使用比較頻繁的功能模塊。

后來，攝影家辦了展覽，她在圈中就小有名氣了。涂當(dāng)偶爾也給她拍幾張發(fā)在微博上，但一直是半紅不黑的，直到那天陳小北找到她。陳小北把她的照片放到了某知名網(wǎng)站上，并想方設(shè)法做成頭條新聞。一夜之間，她紅了，三炒兩炒，有一些名不見經(jīng)傳的牌子或網(wǎng)店找她代言。于是，街頭巷尾的婆婆媽媽也知道了，只除了她那個(gè)從不上網(wǎng)的爸爸葉之容。

碰撞器模塊：碰撞器是游戲開發(fā)中至關(guān)重要的一個(gè)組件，它不斷檢測(cè)著物體之間的碰撞，并調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。開發(fā)者可以在Unity腳本中重寫這些回調(diào)函數(shù)來對(duì)碰撞做出相關(guān)的策略。碰撞的實(shí)質(zhì)其實(shí)是碰撞盒的碰撞。在Unity引擎中，為開發(fā)者提供了多種碰撞器，常見的有盒型碰撞器（Box Collider）、球型碰撞器（Sphere Collider）、膠囊型碰撞器（Capsule Collider）和網(wǎng)格碰撞器（Mesh Collider）[3]。其中，前三者可以處理模型較為簡(jiǎn)單的物體，碰撞器能夠較好地包裹在模型的周圍形成碰撞盒，這樣檢測(cè)碰撞而消耗的性能也會(huì)較小；但是對(duì)于一些比較復(fù)雜的模型或者對(duì)碰撞盒的精確度有著較高的要求的情況下，就可以使用網(wǎng)格碰撞器。

Unity Shader：Unity 提供了許多內(nèi)置的 Shader，其中，Unity標(biāo)準(zhǔn)著色器（Standard Shader）集成了非常強(qiáng)大而全面的功能。我們可以通過設(shè)置十種常用的貼圖（反射率貼圖、法線貼圖等）來渲染模型；我們可以設(shè)置渲染模式為Opaque（不透明）、Cutout（鏤空）、Fade（隱現(xiàn)）和Transparent（透明）來呈現(xiàn)不同的模型效果。另外，我們可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)面板上的相關(guān)參數(shù)來改變模型的平滑度和金屬度。

動(dòng)畫系統(tǒng)：Unity的動(dòng)畫系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：Avatar（骨骼模型）、Animation（動(dòng)畫片段）、Animator（動(dòng)畫組件）、Animator Controller（動(dòng)畫控制器）。圖2為一個(gè)人形的骨骼模型，圖3為該模型的骨骼節(jié)點(diǎn)映射情況，Unity可以通過Avatar檢視面板來調(diào)節(jié)骨骼模型的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的映射。骨骼動(dòng)畫不會(huì)改變對(duì)象的位置、旋轉(zhuǎn)和縮放等內(nèi)容，但會(huì)在幀間對(duì)其內(nèi)部組成進(jìn)行移動(dòng)或變形[4]。

圖2 骨骼模型

圖3 骨骼映射

2.2 建立3D模型

3D游戲開發(fā)過程中，3D建模是必不可少的步驟。玩家首先會(huì)通過模型去觀察整個(gè)游戲世界，進(jìn)而去體驗(yàn)游戲的其他內(nèi)容。優(yōu)秀的游戲模型能夠帶來游戲畫面的直觀感受，增加游戲的吸引力。諸如3Ds MAX、Maya、Rhino等軟件都能實(shí)現(xiàn)快速建模。通過采集模型，利用3Ds MAX軟件進(jìn)行模型細(xì)節(jié)調(diào)整，能過完成游戲開發(fā)的初期建模工作。

2.3 實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

MVC（Model-View-Controller）框架主要運(yùn)用于軟件的分層開發(fā)，合理利用MVC框架能夠達(dá)到很好的解耦效果。MVC框架在軟件開發(fā)中能夠?qū)浖目煽啃?、?guī)范性和可擴(kuò)展性起到極大的促進(jìn)作用[5]。在游戲開發(fā)中，Model進(jìn)行游戲數(shù)據(jù)的讀出和寫入，View層進(jìn)行UI視圖層的控制，Controller層進(jìn)行游戲核心邏輯的控制，并且對(duì)Model層和View層起到了一定調(diào)控作用。

如何平衡游戲畫質(zhì)和游戲性能兩個(gè)方面一直以來是本文研究的重點(diǎn)。本文總結(jié)了如下幾點(diǎn)優(yōu)化措施：

（1）使用對(duì)象池實(shí)現(xiàn)對(duì)象的預(yù)加載以及回收。游戲?qū)ο笤趧?chuàng)建過程中需要消耗大量的資源，導(dǎo)致設(shè)備卡頓。使用對(duì)象池能夠?qū)τ螒驅(qū)ο筮M(jìn)行重復(fù)利用，減少資源的消耗，提高游戲性能。

（2）在保證圖像質(zhì)量的前提下對(duì)圖像進(jìn)行壓縮，并減少冗余資源和重復(fù)資源。這樣做的好處是能夠減少安裝包的體積，降低內(nèi)存要求。

（3）使用靜態(tài)貼圖烘焙代替動(dòng)態(tài)燈光效果。動(dòng)態(tài)燈光效果所消耗的性能非常巨大，一般適用于動(dòng)態(tài)的物體。對(duì)于靜態(tài)游戲資源，采用靜態(tài)貼圖烘焙能夠有效減少渲染所消耗的性能。

（4）為常用的物體添加Tag或Layer，而不是每次都使用Find查找。在開發(fā)中經(jīng)常涉及到游戲?qū)ο蟮牟檎?，遍歷查找所消耗的CPU資源是比較多的，通過添加Tag或Layer的方式查找能夠減小CPU的壓力。

2.4 導(dǎo)彈追蹤算法

圖4 導(dǎo)彈追蹤示意圖

如圖4所示，假設(shè)導(dǎo)彈的位置為(x1,y1,z1)，目標(biāo)的位置為(x2,y2,z2)，連接導(dǎo)彈和目標(biāo)的坐標(biāo)，得到一條線段，線段和導(dǎo)彈初始發(fā)射方向所構(gòu)成的夾角a就是要旋轉(zhuǎn)的角度，即在導(dǎo)彈飛向目標(biāo)的過程中，角a不斷趨向于0。假設(shè)d為初始位置導(dǎo)彈和目標(biāo)的距離，s為飛行過程中某一時(shí)刻導(dǎo)彈和目標(biāo)的距離，a為線段和導(dǎo)彈初始發(fā)射方向所構(gòu)成的夾角，則某一時(shí)刻線段和導(dǎo)彈方向所構(gòu)成的夾角angle可以表示為s/d*a。因此，在導(dǎo)彈不斷飛行的過程中，角度逐漸的縮小，當(dāng)距離為0時(shí)，導(dǎo)彈的正前方就是目標(biāo)。算法實(shí)現(xiàn)核心思想如下：

（1）獲取目標(biāo)的位置坐標(biāo)；

（2）獲取導(dǎo)彈發(fā)射方向與目標(biāo)位置連線的夾角；

（3）計(jì)算本幀內(nèi)導(dǎo)彈移動(dòng)的距離以及需要偏移的角度，并對(duì)導(dǎo)彈角度進(jìn)行調(diào)整；

（4）循環(huán)步驟（3）直至導(dǎo)彈到達(dá)目標(biāo)位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為關(guān)卡模塊實(shí)現(xiàn)的效果圖，通過選擇不同的關(guān)卡來進(jìn)行挑戰(zhàn)，并解鎖后續(xù)的關(guān)卡。關(guān)卡上的星星表示當(dāng)前關(guān)卡的評(píng)級(jí)。在該界面可以點(diǎn)擊商店按鈕進(jìn)入商店，點(diǎn)擊建造按鈕進(jìn)入升級(jí)界面。圖6為道具商店界面，可以根據(jù)自身的金幣購(gòu)買所需的道具，增強(qiáng)戰(zhàn)斗力。

圖5 游戲關(guān)卡選擇界面

圖6 道具商店界面

圖7為游戲戰(zhàn)斗畫面，玩家可以通過建造不同的炮塔來防御敵人的入侵，殺死敵人能夠獲得金幣，金幣可用來建造升級(jí)炮塔。當(dāng)消滅所有的敵人時(shí)，就獲得勝利，游戲勝利畫面如圖8所示。

圖7 游戲戰(zhàn)斗畫面

圖8 游戲勝利畫面

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)移動(dòng)塔防游戲的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。本游戲使用3Ds MAX進(jìn)行游戲建模，使用碰撞系統(tǒng)來進(jìn)行碰撞檢測(cè)，使用動(dòng)畫系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)畫控制，使用Unity Shader進(jìn)行渲染，使用MVC框架進(jìn)行更好地代碼維護(hù)。并且，運(yùn)用游戲優(yōu)化手段來平衡畫質(zhì)和性能，使用恰當(dāng)?shù)乃惴▉韺?shí)現(xiàn)游戲邏輯。本文對(duì)塔防3D游戲設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳盡的闡述，完成了3D休閑類游戲的設(shè)計(jì)與開發(fā)。