曉查 發自 凹非寺量子位 報導 | 公眾號 QbitAI
從第一款FPS遊戲《德軍總部3D》出現以來，這種類型的遊戲廣受好評，創新的玩法也層出不窮，比如「吃雞」。
△ 第一款FPS遊戲《德軍總部3D》
但是你知道遊戲裡的子彈是怎麼飛行的嗎？
早期，它和現實世界中的子彈完全不一樣，很多玩家合理地利用了這個bug，比如CS裡的甩狙。
隨著PC運算能力的提高，子彈的算法也在不斷進步，彈道的效果越來越真實。
最近一位軟體工程師Tristan Jung在遊戲論壇上總結了FPS遊戲的一些子彈軌跡算法。讓我們一起來看看FPS遊戲這二十多年來發生的變化。
擋住射線的都會死
早期的FPS遊戲都採用一種「光線投射」（ray casting）的技術，用槍口發射出去的射線來確定子彈的軌跡。光線投射可以確定與光線相交的第一個對象。
在FPS裡，這種算法叫做「命中掃描」（hitscan），當你扣下扳機時，物理引擎會計算下面幾件事：
槍口所指的方向；從槍口射出一束射線，直到達到規定的範圍，比如碰到牆；確定光線投射的路徑上是否光線是否撞擊物體。如果引擎發現你有物體擋住了子彈的路徑，就是通知系統該物體被擊中。
△ 方塊擋在了子彈A射向B的路徑，引擎告知方塊已被擊中
hitscan的核心很簡單，至於物體被子彈擊中後的下一步邏輯是什麼，可以根據遊戲要求定義：
1、如果允許子彈穿透，那麼它將穿透路線上的所有物體；
2、消除最大的射線範圍，就可以一直發射出雷射，直到命中物體為止；
3、將某些表面設置為具有反射性，可以將子彈彈開。
使用hitscan算法，最大的好處是計算簡單快速，不需要額外的內存或處理時間即可構建新的物理對象。這也意味著在多人遊戲時，所需的網絡資源也最少。
因此，行業中的許多遊戲都將hitscan用作射擊算法也就不足為奇了。
不僅《德軍總部3D》和《毀滅戰士》這些經典遊戲採用，連近年來的一些熱門遊戲也是。比如《守望先鋒》、《使命召喚》裡的一些武器即是採用hitscan算法。
但是hitscan還是存在著一些缺陷。
首先，子彈的速度是無限的，比光速還快，瞬間到達被擊中的物體。即使你離目標很遠，只要你開槍的一瞬間，對手在準星上，就必死無疑。
△ 扣動扳機和目標上的火光同時出現，說明子彈是瞬間擊中
其次，子彈的路徑是直線，沒有考慮風向、重力等因素，即使在建模的時候把路徑改成曲線，但是在子彈射出後也無法更改路徑。
為了讓射擊遊戲更真實，就需要使用另一種方法。
給子彈加上彈道
這個算法聽起來很花哨，其實很簡單。
武器射出的每顆子彈，都會在環境中創建一個新的物理對象，有著自己的質量、速度和引擎要計算的命中框。
由於每個彈丸都是獨立存在的，因此可以考慮風力、摩擦、重力和溫度等因素。任何作用在子彈上的力都會改變其方向。
而且在這種算法下，子彈不會瞬間移動，還可以實現以下功能：
1、在一些遊戲中有「子彈時間」特效；
2、如果長距離狙擊移動目標，需要提前目標的估計移動量；
3、實現榴彈等爆炸物的延遲爆炸。
但是在進行多人遊戲時，伺服器將需要做更多的計算，來確保所有對象都同步，並且必須解決不同客玩家之間的差異或衝突，以免在同一臺伺服器上給玩家帶來不一致的體驗。
一個方法是，在遊戲時間之前加載對象的「池」，並在需要時「彎曲並啟用」它們。一旦撞擊到物體表面，就回收這個對象，將其保存以備後用。
這種方法將減少反覆創建和銷毀對象的計算和內存成本。
至於遊戲時間的同步，存在著多種計算方法：
1、時間是與渲染分開計算，即使存在跳幀，遊戲也能精確地表示對象。這種方法需要計算自上次渲染之後經過的確切時間。
2、計算每一幀的時間，將物理引擎綁定到幀速率。如果禁用幀速率上限，或開始丟幀，則會看到加速或卡頓的效果。
而且，這種算法在子彈速度足夠快時，可能會遇到對象彼此「互穿」的情況，儘管它們在引擎中從未重疊。
混合系統
有沒有辦法結合了以上兩種方法的優點呢？答案是有的。
最簡單的辦法就是不同武器使用不同的引擎。
大多數FPS遊戲引擎可以處理兩種類型的子彈模擬。這樣就可以選擇擁有各種各樣的武器。《俠盜獵車手》和《半條命》等遊戲都具有可以支持兩種物理類型的武器。
比如《光環》中的突擊步槍使用命中掃描引擎，而刺針槍使用子彈彈道模型。
遊戲開發人員還可以混合使用兩種技術來彌補每個系統的弱點，從而提供更加逼真的體驗。
例如，要解決物體從彈道互穿的問題，可以在引擎的每個時刻上繪製子彈射線，查看射線是否會相交。
也可以混合兩種算法以增強遊戲的功能。
《狙擊精英》系列就是一個很好的例子。扣動扳機後，引擎將使用hitscan來確定子彈是否足夠靠近目標以觸發慢動作。如果結果為true，引擎將在子彈時間內計算彈道。