射击游戏里的子弹是如何飞行的
晓查 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
从第一款FPS游戏《德军总部3D》出现以来，这种类型的游戏广受好评，创新的玩法也层出不穷，比如“吃鸡”。
△ 第一款FPS游戏《德军总部3D》
但是你知道游戏里的子弹是怎么飞行的吗？
早期，它和现实世界中的子弹完全不一样，很多玩家合理地利用了这个bug，比如CS里的甩狙。
随着PC运算能力的提高，子弹的算法也在不断进步，弹道的效果越来越真实。
最近一位软件工程师Tristan Jung在游戏论坛上总结了FPS游戏的一些子弹轨迹算法。让我们一起来看看FPS游戏这二十多年来发生的变化。
挡住射线的都会死
早期的FPS游戏都采用一种“光线投射”（ray casting）的技术，用枪口发射出去的射线来确定子弹的轨迹。光线投射可以确定与光线相交的第一个对象。
在FPS里，这种算法叫做“命中扫描”（hitscan），当你扣下扳机时，物理引擎会计算下面几件事：
- 枪口所指的方向；
- 从枪口射出一束射线，直到达到规定的范围，比如碰到墙；
- 确定光线投射的路径上是否光线是否撞击物体。
如果引擎发现你有物体挡住了子弹的路径，就是通知系统该物体被击中。
△ 方块挡在了子弹A射向B的路径，引擎告知方块已被击中
hitscan的核心很简单，至于物体被子弹击中后的下一步逻辑是什么，可以根据游戏要求定义：
1、如果允许子弹穿透，那么它将穿透路线上的所有物体；
2、消除最大的射线范围，就可以一直发射出激光，直到命中物体为止；
3、将某些表面设置为具有反射性，可以将子弹弹开。
使用hitscan算法，最大的好处是计算简单快速，不需要额外的内存或处理时间即可构建新的物理对象。这也意味着在多人游戏时，所需的网络资源也最少。
因此，行业中的许多游戏都将hitscan用作射击算法也就不足为奇了。
不仅《德军总部3D》和《毁灭战士》这些经典游戏采用，连近年来的一些热门游戏也是。比如《守望先锋》、《使命召唤》里的一些武器即是采用hitscan算法。
但是hitscan还是存在着一些缺陷。
首先，子弹的速度是无限的，比光速还快，瞬间到达被击中的物体。即使你离目标很远，只要你开枪的一瞬间，对手在准星上，就必死无疑。
△ 扣动扳机和目标上的火光同时出现，说明子弹是瞬间击中
其次，子弹的路径是直线，没有考虑风向、重力等因素，即使在建模的时候把路径改成曲线，但是在子弹射出后也无法更改路径。
为了让射击游戏更真实，就需要使用另一种方法。
给子弹加上弹道
这个算法听起来很花哨，其实很简单。
武器射出的每颗子弹，都会在环境中创建一个新的物理对象，有着自己的质量、速度和引擎要计算的命中框。
由于每个弹丸都是独立存在的，因此可以考虑风力、摩擦、重力和温度等因素。任何作用在子弹上的力都会改变其方向。
而且在这种算法下，子弹不会瞬间移动，还可以实现以下功能：
1、在一些游戏中有“子弹时间”特效；
2、如果长距离狙击移动目标，需要提前目标的估计移动量；
3、实现榴弹等爆炸物的延迟爆炸。
但是在进行多人游戏时，服务器将需要做更多的计算，来确保所有对象都同步，并且必须解决不同客玩家之间的差异或冲突，以免在同一台服务器上给玩家带来不一致的体验。
一个方法是，在游戏时间之前加载对象的“池”，并在需要时“弯曲并启用”它们。一旦撞击到物体表面，就回收这个对象，将其保存以备后用。
这种方法将减少反复创建和销毁对象的计算和内存成本。
至于游戏时间的同步，存在着多种计算方法：
1、时间是与渲染分开计算，即使存在跳帧，游戏也能精确地表示对象。这种方法需要计算自上次渲染之后经过的确切时间。
2、计算每一帧的时间，将物理引擎绑定到帧速率。如果禁用帧速率上限，或开始丢帧，则会看到加速或卡顿的效果。
而且，这种算法在子弹速度足够快时，可能会遇到对象彼此“互穿”的情况，尽管它们在引擎中从未重叠。
混合系统
有没有办法结合了以上两种方法的优点呢？答案是有的。
最简单的办法就是不同武器使用不同的引擎。
大多数FPS游戏引擎可以处理两种类型的子弹模拟。这样就可以选择拥有各种各样的武器。《侠盗猎车手》和《半条命》等游戏都具有可以支持两种物理类型的武器。
比如《光环》中的突击步枪使用命中扫描引擎，而刺针枪使用子弹弹道模型。
游戏开发人员还可以混合使用两种技术来弥补每个系统的弱点，从而提供更加逼真的体验。
例如，要解决物体从弹道互穿的问题，可以在引擎的每个时刻上绘制子弹射线，查看射线是否会相交。
也可以混合两种算法以增强游戏的功能。
《狙击精英》系列就是一个很好的例子。扣动扳机后，引擎将使用hitscan来确定子弹是否足够靠近目标以触发慢动作。如果结果为true，引擎将在子弹时间内计算弹道。
参考链接：https://www.gamasutra.com/blogs/TristanJung/20191206/355250/How_Do_Bullets_Work_in_Video_Games.php
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