用虚幻4开发搭积木的VR游戏

2024-12-22上海AR开发专家

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  作者简介：房燕良
  ，小米互娱
  VR技术
  专家。
  从2001年开始，自主研发3代游戏引擎，发布游戏超过10款。代表作品有《仙剑3》《功夫世界》《龙online》《神兵传奇》等。从2007年开始接触虚幻3引擎，对虚幻引擎有深入的研究和实践。在MDCC 2016上，房燕良将结合自身经验，以及对于虚幻4引擎渲染系统架构的理解，分享《虚幻4引擎渲染系统结构解析》。
  虚幻引擎作为国际顶尖水平的3D引擎，一直是很多像我这样的技术人员的向往，感谢Epic Games采取了免费、开源的政策，使得“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。在当前
  VR开发
  如此火热的情况下，虚幻4在VR方面一直保持着技术领先。笔者有幸在虚幻3时代就有机会深入地学习了这款引擎，目前也在从事虚幻4 VR领域的开发工作，所以希望把自己的一点经验分享给更多的对虚幻4引擎技术感兴趣的同学。
  虚幻4 VR开发从何入手
  很多人都听说“虚幻引擎比较难学”，其实我想说“对未知的恐惧是学习新知的最大障碍”，并且虚幻4在易用性上确实已经比前一代有大幅改进。所以，希望对虚幻4引擎技术已经动心的同学，放松心情，勇敢一点，其实没那么难。
  无论是VR，还是游戏开发，首先我们都需要对引擎中的概念有一个基础的理解，把基础知识掌握好。这包括基本的编辑器操作、资源管理流程、C++/Blueprint蓝图编程，以及Actor、ActorComponent等基础入门知识。由于大量的入门知识并不适合使用文字表达，所以我正在CSDN学院连载虚幻4入门的系列视频教学课程（https://edu.csdn.net/lecturer/654）。对于没有接触过虚幻4开发的读者，我建议先看看此视频教程，再继续阅读本文。
  对引擎有了基本掌握之后，VR开发也就水到渠成了。VR开发在技术上，主要是需要对接主流的
  VR硬件
  ，包括头戴式显示（HMD）、手柄等。例如
  Oculus
  和
  HTC Vive
  都提供了自己的SDK，让软件开发者可以访问他们的硬件。而整合这些SDK的工作，虚幻4引擎已经做好了，我们只要开启指定的插件即可（如图1所示）。虚幻4引擎在上层，针对VR硬件提供统一的抽象接口，在下面的示例中我们详细讲解。
  图1 虚幻4内置了主流VR硬件支持插件
  在Gear VR上开发搭积木的小游戏
  下面我们通过在Gear VR上运行一个简单的搭积木小游戏，来讲述使用虚幻4开发
  VR游戏
  的基本知识。
  在这个小游戏中，我们使用视线瞄准一个积木块，然后点击Gear VR头盔右侧的Touch Pad即可拿起积木；这时，转动头盔，拿起的积木块会跟随视线移动；再次点击Touch Pad，将这块积木放下。之后，使用物理刚体模拟，来进行状态更新。你可以尝试把很多积木块堆积起来。
  Gear VR项目创建
  首先我们需要使用C++ Basic Code工程模板来创建一个新的工程，基本设置要选择：Mobile/Tablet，以及Scalable 2D/3D。这里要注意，必须选择C++的工程模板，使用Blueprint模板的话，在打包到Gear VR后将无法正常运行。
  然后，必须向引擎中添加一个Oculus签名文件。具体的方法是：
  ■ 手机使用USB线连接电脑； 
  ■ 使用“adb devices”命令获取Device ID，例如：0915f92985160b05； 
  ■ 打开网址https://developer.oculus.com/osig/，把签名的Device ID粘贴进输入框，然后点Download按钮； 
  ■ 将获取到的文件（例如oculussig_0915f92985160b05）放入：引擎安装目录引擎版本号EngineBuildAndroidJavaassets（如图2所示）； 
  ■ 最后，需要在编辑器中打开“Project Settings”->“Android”，修改以下选项：
  Minimum SDK Version：设置为19；
  Target SDK Version：设置为19；
  Conf igure the AndroidMani fest for
  deployment to GearVR。
   图2 OSIG文件存储路径
  这样配置之后，这个UE4项目就可以打包到Gear VR上运行了。
  资源准备
  尽管虚幻4引擎中默认带了一些基本形状的几何体，不过，我还是使用3ds Max生成了一套自己的几何体FBX文件。另外，还有几个表情图标作为这些几何体的贴图，我们将使用不同的表情来标识对象的不同状态。将这些FBX、TGA文件拖入Content Browser中，即可导入。
  图3 积木的材质
  接下来，我们要在引擎中创建一个材质，如图3所示。请注意，贴图的节点“TextureSampleParameter2D”是一个Parameter，这使得我们可以在运行时改变这个节点的内容。
  Gear VR开发基础功能
  首先，创建一个叫作VRPlayerBase的C++类，它从Pawn派生，作为我们的玩家角色。开发Gear VR游戏的话，如果每次测试都要打包到手机上去运行，实在是相当忧伤，因为每次打包的时间……呵呵。所以，我写了一段C++代码，使用鼠标来模拟HMD头盔转动，这样就可以很方便地在编辑器中测试视线焦点相关的操作了。另外，Gear VR Touch Pad相关的操作，也封装了一下，一起放到这个类里面。关键代码如下：
  void AVRPlayerBase::SetupPlayerInputComponent(class UInputComponent* InputComponent)
  {
      Super::SetupPlayerInputComponent(InputComponent);
      //-- 测试用的鼠标转动操作
      // InitializeDefaultPawnInputBindings
      UPlayerInput::AddEngineDefinedAxisMapping(FInputAxisKeyMapping("Turn", EKeys::MouseX, 1.f));
      UPlayerInput::AddEngineDefinedAxisMapping(FInputAxisKeyMapping("LookUp", EKeys::MouseY, -1.f));
      UPlayerInput::AddEngineDefinedActionMapping(FInputActionKeyMapping("MouseLMB", EKeys::LeftMouseButton));
      // Action Bind
      InputComponent->BindAxis("Turn", this, &AVRPlayerBase::AddControllerYawInput);
      InputComponent->BindAxis("LookUp", this, &AVRPlayerBase::AddControllerPitchInput);
      InputComponent->BindAction("MouseLMB", IE_Pressed, this, &AVRPlayerBase::OnTouchTap);
      //-- Touch
      InputComponent->BindTouch(IE_Pressed, this, &AVRPlayerBase::OnTouchBegin);
      InputComponent->BindTouch(IE_Released, this, &AVRPlayerBase::OnTouchEnd);
      InputComponent->BindTouch(IE_Repeat, this, &AVRPlayerBase::OnFingerMove);
  }
  那么，在Gear VR真机运行时，如何使得摄像机跟随头显转动呢？这就简单了，因为引擎已经实现了这个功能，只不过它是实现在PlayerController上，这里设置一下VR Player的转动与Controller一致即可（见图4）。
  图4 Pawn的朝向设置
  接下来我们实现视线焦点检测的功能，这部分使用Blueprint来开发，具体情况见图5。
  图5 视线检测功能
  在此蓝图中，我们调用了引擎所提供的“LineTraceByChannel”来进行射线检测，见图6。
  图6 LineTraceByChannel
  我们需要指定这条线段的起点和终点。起点就是玩家的眼睛所在的位置：使用GetActorEyeViewPoint节点取得；终点就是沿着玩家的面朝向（GetForwardVector）一定距离的一个点。LineTraceByChannel有两个返回值，其中“Out Hit”是一个结构体，我们使用Break节点来取出结构体中我们需要的项：射线击中的最近的那个Actor；然后我们检测它是否实现了“BPI_VRObject”蓝图接口（这是我们自己定义的一个蓝图接口，后面详述）；最后我们调用自定义事件：“OnFocusActorChanged”来处理具体的逻辑。
  现在，可以设置一个新的GameMode，来指定这个类作为Player Pawn，然后把它设置成默认的GameMode。
  积木块
  创建一个新的蓝图类，用来实现积木块的相关功能，选择从Static Mesh Actor来派生。首先，为了实现动态改变积木块贴图的功能，要在Construction Script中创建Dynamic Material Instance，如图7所示。
  图7 创建Dynamic Material Instance
  在图7所示Blueprint脚本中，我使用“CreateDynamicMaterialInstance”节点，为StaticMeshComponent创建了一个动态材质实例，并把它保存到一个名为“BlockMaterial”的变量之中。
  另外，考虑到今后可能添加其他的对象类型，创建了一个Blueprint Interface，命名为：用来定义玩家对场景中物体的交互，主要就是图8中的四项。
  图8 Blueprint Interface
  接下来，我们做一个简单的功能：当玩家注视着这个积木块时，它就向玩家眨个眼（换张贴图）。首先，要在积木块的Blueprint的Class Settings中，添加上述Blueprint Interface。然后，就可以在EventGraph中使用Add Event菜单，添加OnFocus和LostFocus事件处理了（如图9所示）。
  图9 Focus相关事件处理
  在上述蓝图中，我们实现了“BPI_VRObject”的两个接口事件，分别是：OnFocus和LostFocus，在焦点获得或者焦点失去的时候，我们调用“SetTextureParameterValue”节点，来改变材质中的BaseColor所使用的贴图资源对象。 
  接下来，就要实现一个有趣的功能：当积木块坠落的时候，显示一个害怕的表情；当积木块静止不动后，显示微笑表情。这个功能，通过刚体（Rigid Body）的Wake、Sleep状态来实现。从物理引擎的角度说，当物体静止不动时，物理引擎会把这个物体设置到Sleep状态，以节省运算量；当需要物理引擎计算其运动状态时，再把它叫醒。注意：要设置StaticMesh组件的“Generate WakeEvent”才能收到这两个事件，见图10。
  图10 刚体的Wake、Sleep事件处理
  在这个Blueprint脚本中，我们通过响应“OnComponentWake”和“OnComponentSleep”来变更了自定义变量“IsSleeping”，然后调用自定义事件“ChangeTextureByState”来变更材质的贴图参数。
  接下来，还可以做一个小功能：当玩家抓起这个积木时，它就开始哭。这个实现方法和上面的思路完全一样，在此不多赘述。
  在玩家周围随机生成一些积木块OK，既然的积木已经准备好了，就可以在关卡启动时，随机地生成一些积木，供玩家玩耍。这个功能可以在Level Blueprint或Game Mode中实现。这里，我们假设这是本测试关卡的功能，所以把它放在Level Blueprint中去实现。
  图11 在Level Blueprint中随时生成积木块
  图11展示的这段Blueprint代码，即是在PlayerStart对象周围随机产生了10个积木块。响应关卡的BeginPlay事件：通过ForLoop节点，调用10次SpawnActor节点，这个节点的Class参数选择成我们的积木块（BP_Block）；积木块的出生点通过MakeTransform节点来生成。在MakeTransform节点中，使用了3种不同的随时方式来产生位置、旋转和缩放这三个参数。
  拿起和放下积木
  接下来，我们继续完善玩家类，添加拿起、放下积木块的功能，具体操作是：玩家首先要注视着某个积木，然后轻点Touch Pad可以拿起积木；转动头盔，积木会随其移动；如果再次轻点TouchPad，则放下这个积木。
  首先，我们在Touch Pad的Tap事件中实现上述流程。注意，这个Tap事件是在VRPlayerBase那个C++类中触发的，见图12。
  图12 Touch Pad的Tap事件响应
  在此，我们判断如果PickActor是一个有效值，则调用DropActor，否则的话，调用PickFocusActor。
  其中的Pickup Focus Actor和Drop Actor是两个自定义事件。在PickupFocusActor事件中，首先我们通知了这个积木块对象：调用它的OnPickup接口；然后使用一个TimeLine驱动的动画，来控制积木块的位置，使它从当前位置，平滑地移动到玩家面前的一个位置。在DropActor事件中，则首先通知了积木块对象：调用它的OnDrop接口；然后把PickedActor对象设为空值，代码见图13、图14。
  图13 捡起正在注视着的对象
  图14 放下正在拿着的积木
  总结
  通过上述过程，一个简单，但还有点意思的积木小游戏就准备好了（见图15）。你可以通过项目打包功能生成APK包，在Gear VR上进行体验。由于篇幅所限，项目中一些细节无法在此完全详述。大家可以从CSDN CODE下载这个项目的完整资源，来进行参考https://code.csdn.net/Neil3D/vrstarter。
  图15 游戏运行效果
  本文所演示的项目，只是为了讲述最基本的开发方法，并没有在画面效果上做任何修饰。实际上，虚幻4现在手机上已然可以支持PBR材质效果。总之，各种酷炫的效果，还待大家去发掘。