用threejs制作一款简单的赛车游戏

最近业务比较忙，但是我们追求3D世界的脚步不能停下来~某天在路上看到一辆辆飞驰而过的汽车，想到要不要弄一个赛车类的游戏
没有再用原生，而是使用了threejs，毕竟大点的3D项目，再用原生就是自己给自己找麻烦了……
本文从0到1讲解了这个游戏的开发过程，其中没有专门的介绍webgl和threejs，没有基础的同学可以结合threejs文档一起看，或者先学习一下webgl的基础知识~
游戏地址如下：

https://vorshen.github.io/simpleCar/

操作如下：
w前进
a、d左右转
space减速可漂移

目前游戏的碰撞检测没有做完(后续会更新进行完善)，只会进行汽车左边与赛道中两条边进行碰撞检测。具体哪里下面会说~大家也可以通过亲自试玩来找到哪两条边

下面我们就来从0到1去实现这个赛车游戏~
注意：文中出现的代码片段是有作用域的！！为了配合讲解上下文而删减了其他的内容！完整代码地址如下：
https://github.com/vorshen/simpleCar

1、游戏准备

首先我们要选择做一款什么游戏，如果是公司级的游戏项目，那开发基本是没有选择权的。自己做着练手那就可以按自己喜好来了。我之所以选择赛车来举例子：
首先是因为赛车游戏比较简单，没有过多的素材要求。毕竟是个人开发，没有专门的设计大大提供模型，模型得自己去找。
其次是赛车游戏简单闭环的成本低，有车，有跑道，能跑起来其实就是一款最简单的游戏了
所以最终就决定了做一款一切从简的赛车游戏，接下来我们要寻找素材

2、素材准备

在网上扒了很久，找到了一款不错的汽车obj文件，贴图啥的都有，不过有的颜色还没上，用blender进行补齐一下

汽车素材有了，接下来就是赛道的。赛道最早的想法是动态生成，类似之前那个迷宫游戏一样
正规的赛车游戏肯定没法动态生成，因为赛道都需要定制的，有很多细节的东西，比如贴图风景之类的。
我们这个练手项目追求不了那么酷炫，所以可以考虑一下动态生成。
动态生成的好处就是每次刷新后玩都是一个新的地图，可能新鲜度会高一些。
动态生成的也有两种玩法，一种是用一块板不停的去平铺，板的顶点信息
[-1,0,1, 1,0,1, 1,0,-1, -1,0,-1]
用俯视图看起来就是下面这样

但是这个有一个很不好的，就是弯道太粗糙了，每个弯道都是直角，不怎么好看。就换一个方案
obj建两个模型，分别是直道、转弯，如图

然后这两个个模型不停的去平铺
用2D看起来就像下面这样

看起来这个是可行的，但是！真实实现之后发现还是不好！
首先赛道没法回头了，因为我们y轴是固定的，没有上下坡的概念。一旦赛道回头新的道路碰到已有的道路就会乱，变成岔路的感觉
其次针对随机要做很多的控制，否则可能出现弯道过于频繁，如图

兼容了一会，发现很是操蛋，所以决定还是自己建一个赛道模型，自己动手丰衣足食，如图

再次安利下blender还是很好用的~
在这里设计赛道的时候有一个弯道设计的太难了，不减速无法无碰撞过弯……相信试玩一圈肯定能找到是哪一个弯~

3、threejs

准备工作都弄完了，接下来就是撸代码啦
不知道之前原生webgl开发大家还记得不，很繁琐对不对，这次我们用了threejs，可就方便很多了。不过还是要说一下，推荐先把原生webgl弄熟一些再去接触threejs，否则可能会有很大的依赖性，而且对图形学的一些基础会不牢固。

我们第一步创建整个场景世界

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var scene = new THREE.Scene();  
var camera = new THREE.PerspectiveCamera(90, window.innerWidth/window.innerHeight, 0.1, 1000);
camera.position.z = 0;
camera.position.x = 0;
var webGLRenderer = new THREE.WebGLRenderer();
webGLRenderer.setPixelRatio(window.devicePixelRatio);
webGLRenderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
webGLRenderer.setClearColor(0x0077ec, 1);

这些是使用threejs必须要有的，比我们自己原生去创建program，shader，再各种编译绑定方便了很多
接下来我们要把模型给导入进去。上次有写过一个简单的objLoader，这次我们用threejs自带的。

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var mtlLoader = new THREE.MTLLoader();
mtlLoader.setPath('./assets/'); // 路径
mtlLoader.load('car4.mtl', function(materials) {
    // 材质完成之后再导入obj
    materials.preload();
    var objLoader = new THREE.OBJLoader();
    objLoader.setMaterials(materials);
    objLoader.setPath('./assets/');
    objLoader.load('car4.obj', function(object) {
        car = object;
        car.children.forEach(function(item) {
            item.castShadow = true;
        });
        car.position.z = -20;
        car.position.y = -5;
        params.scene.add(car);
        self.car = car;
        params.cb();
    }, function() {
        console.log('progress');
    }, function() {
        console.log('error');
    });
});

首先加载mtl文件，生成材质之后再加载obj文件，非常的方便。注意这里我们把赛车加入到场景之后要调整一下position.zy，地面在我们这个世界中y轴坐标为-5
上一段代码可以看出摄像机开始的z坐标为0，我们将赛车的z坐标初始设置为-20
同理再导入赛道文件，此时我们访问的话，会发现一片漆黑，如图

这是为什么呢？

神说要有光！

本身赛道和赛车是没有颜色的，需要用材质+光出现颜色。原生webgl中制作光也比较麻烦，还需要写shader，threejs又是很方便啦
我们只需要如下代码：

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var dirLight = new THREE.DirectionalLight(0xccbbaa, 0.5, 100);
dirLight.position.set(-120, 500, -0);
dirLight.castShadow = true;
dirLight.shadow.mapSize.width = 1000;  // default
dirLight.shadow.mapSize.height = 1000; // default
dirLight.shadow.camera.near = 2;
dirLight.shadow.camera.far = 1000;
dirLight.shadow.camera.left = -50;
dirLight.shadow.camera.right = 50;
dirLight.shadow.camera.top = 50;
dirLight.shadow.camera.bottom = -50;
scene.add(dirLight);
var light = new THREE.AmbientLight( 0xccbbaa, 0.1 );
scene.add( light );

刷新一下我们整个是世界亮堂堂起来了！(注意，这里我们用的是环境光+平行光，后续我们会改成其他的光，原因也会给出)，可是是不是少了一点什么？对！还少了阴影
但是阴影我们放在下一节再说，因为这里阴影的处理没有光那么简单

抛开阴影，我们可以理解为一个静态的世界已经完成了，有赛车有赛道
下面来做事件处理

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document.body.addEventListener('keydown', function(e) {
    switch(e.keyCode) {
        case 87: // w
            car.run = true;
            break;
        case 65: // a
            car.rSpeed = 0.02;
            break;
        case 68: // d
            car.rSpeed = -0.02;
            break;
        case 32: // space
            car.brake();
            break;
    }
});
document.body.addEventListener('keyup', function(e) {
    switch(e.keyCode) {
        case 87: // w
            car.run = false;
            break;
        case 65: // a
            car.rSpeed = 0;
            break;
        case 68: // d
            car.rSpeed = 0;
            break;
        case 32: // space
            car.cancelBrake();
            break;
    }
});

我们没有用键盘事件相关的库，就几个键，自己裸写一下。代码应该还是很好懂的
按下w就意味着踩油门，car的run属性置为true，tick中就要进行加速；同理a按下修改了rSpeed，在tick中car的rotation将会有所变化
代码如下：

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if(this.run) {
    this.speed += this.acceleration;
    if(this.speed > this.maxSpeed) {
        this.speed = this.maxSpeed;
    }
} else {
    this.speed -= this.deceleration;
    if(this.speed < 0) {
        this.speed = 0;
    }
}
var speed = -this.speed;
if(speed === 0) {
    return ;
}
var rotation = this.dirRotation += this.rSpeed;
var speedX = Math.sin(rotation) * speed;
var speedZ = Math.cos(rotation) * speed;
this.car.rotation.y = rotation;
this.car.position.z += speedZ;
this.car.position.x += speedX;

很方便，配合一些数学计算去修改car的rotation、position就ok了，比原生webgl自己实现各种变换矩阵方便多了，不过要知道threejs底层也还是通过matrix去变化的。
简单总结一下这一节，我们用threejs去完成了整个世界的布局，然后通过键盘事件让汽车也可以动起来了，不过我们还缺少很多东西。

4、特性功能

这节主要说的是threejs无法实现或者threejs无法简单实现的功能。先总结一下第三节结束之后，我们还欠缺的能力
a、摄像机跟随
b、轮胎细节
c、阴影
d、碰撞检测
e、漂移
下面一一道来

摄像机跟随

刚才我们成功让赛车移动了起来，但是我们的视角没有动，车仿佛在渐渐远离我们。视角是由摄像机控制的，之前我们创建了一个摄像机，现在我们要让它跟随着赛车运动。摄像机和赛车的关系如下面这两幅图


也就是说
摄像机的rotation和赛车的rotation是对应的，但是赛车无论转向(rotation)还是移动(position)也都得去改变摄像机的position！这个对应关系要弄清楚

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camera.rotation.y = rotation;
camera.position.x = this.car.position.x + Math.sin(rotation) * 20;
camera.position.z = this.car.position.z + Math.cos(rotation) * 20;

在car的tick方法中，根据car本身的position和rotation，去算出camera的位置，20就是当赛车没有旋转时，摄像机和赛车的距离(第三节开头有说过)。代码结合上面的图一起理解好点
这样就实现了摄像机的跟随

轮胎细节

轮胎细节需要是为了体验出偏航角时的真实性，不知道偏航角没有关系，就理解为漂移时的真实性就好了，如下图

其实普通转向的时候，也是应该轮胎先行，车身再动，但我们这边由于视角的问题就省略掉了
这里核心就是车身方向和轮胎方向的不一致。不过这时候坑爹的就来了，threejs的rotation比较僵硬，它无法指定任意旋转轴，要么就是用rotation.xyz的方式旋转坐标轴，要么就是rotateOnAxis的方式选择一条通过原点的轴进行旋转。所以我们只能对轮胎进行随车旋转，无法自转。如图

那么我们想自转，首先需要把轮胎模型给单独抽出来，变成这样，如图


然后我们发现，自转可以了，随车旋转没了……那么我们就要建立一个父级关系，随车的旋转是父级去做，自转是轮胎本身去做的
代码如下

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mtlLoader.setPath('./assets/');
mtlLoader.load(params.mtl, function(materials) {
    materials.preload();
    var objLoader = new THREE.OBJLoader();
    objLoader.setMaterials(materials);
    objLoader.setPath('./assets/');
    objLoader.load(params.obj, function(object) {
        object.children.forEach(function(item) {
            item.castShadow = true;
        });
        var wrapper = new THREE.Object3D(); // 父级
        wrapper.position.set(0,-5,-20); // 设置轮胎本身在父级中的位置
        wrapper.add(object);
        object.position.set(params.offsetX, 0, params.offsetZ);
        scene.add(wrapper);
        self.wheel = object;
        self.wrapper = wrapper;
    }, function() {
        console.log('progress');
    }, function() {
        console.log('error');
    });
});
……
this.frontLeftWheel.wrapper.rotation.y = this.realRotation; // 随着车身一起的旋转
this.frontRightWheel.wrapper.rotation.y = this.realRotation;
this.frontLeftWheel.wheel.rotation.y = (this.dirRotation - this.realRotation) / 2; // 偏航角产生的自转
this.frontRightWheel.wheel.rotation.y = (this.dirRotation - this.realRotation) / 2;

图的演示是这样的

阴影

之前我们把阴影给跳过了，说没有光那么简单。其实阴影在threejs中实现，本身比webgl原生实现简单了好几个level。
看下threejs中阴影的实现，需要三步
1、光源计算阴影
2、物体计算阴影
3、物体承载阴影
这三步就可以让你的场景中出现阴影
如下代码：

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dirLight.castShadow = true; // 光源计算阴影
dirLight.shadow.mapSize.width = 1000;
dirLight.shadow.mapSize.height = 1000;
dirLight.shadow.camera.near = 2;
dirLight.shadow.camera.far = 1000;
dirLight.shadow.camera.left = -50;
dirLight.shadow.camera.right = 50;
dirLight.shadow.camera.top = 50;
dirLight.shadow.camera.bottom = -50;
……
objLoader.load('car4.obj', function(object) {
            car = object;
            car.children.forEach(function(item) {
                item.castShadow = true; // 物体（赛车）计算阴影
            });
……
objLoader.load('ground.obj', function(object) {
                object.children.forEach(function(item) {
                    item.receiveShadow = true; // 物体（地面）承载阴影
                });

但是！我们这里是动态阴影，可以理解为整个场景都要在不断的变化。这样threejs中阴影就麻烦一些了，需要我们进行一些额外的处理。
首先我们知道我们的光是平行光，平行光可以看成太阳光，覆盖整个场景的。但是阴影不行啊，阴影需要通过正射矩阵去算的！那么问题来了，我们整个场景非常的大，正射矩阵如果想覆盖整个场景，你的帧缓冲图也非常的大，否则阴影会很不真实。其实无需考虑到这一步，因为帧缓冲图压根就不能那么大，一定会卡成狗。
那怎么办？我们就得动态的去改变正射矩阵！
整个过程可以理解为这样的

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var tempX = this.car.position.x + speedX;
var tempZ = this.car.position.z + speedZ;
this.light.shadow.camera.left = (tempZ-50+20) >> 0;
this.light.shadow.camera.right = (tempZ+50+20) >> 0;
this.light.shadow.camera.top = (tempX+50) >> 0;
this.light.shadow.camera.bottom = (tempX-50) >> 0;
this.light.position.set(-120+tempX, 500, tempZ);
this.light.shadow.camera.updateProjectionMatrix();

我们只考虑到了赛车在地面的阴影，所以正射矩阵只保证可以完整包含赛车就可以了。墙壁没有去考虑，其实按完美来说墙壁也应该有阴影的，需要把正射矩阵拉大一点
但是！threejs中平行光就没有镜面反射的效果了，整个赛车晓得不够生动，所以我就尝试把平行光改成了点光源（路灯的感觉？），然后让点光源也一直跟随着赛车

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var pointLight = new THREE.PointLight(0xccbbaa, 1, 0, 0);  
pointLight.position.set(-10, 20, -20);
pointLight.castShadow = true;
scene.add(pointLight);
……
this.light.position.set(-10+tempX, 20, tempZ);
this.light.shadow.camera.updateProjectionMatrix();

这样看起来整体就好了很多，之前说的更换光类型原因也就是在这~

碰撞检测

不知道大家找到了哪几条边有碰撞检测了没，其实是这几条边~

红色的这几条边和赛车的右边有碰撞检测，不过碰撞检测做的很随意，一旦碰上了就当作撞毁……直接速度置0重新出现了
确实是偷懒，因为碰撞检测好搞，但这种赛车碰撞反馈在不接入物理引擎的情况下实在不好搞，要考虑很多，如果单纯看成一个圆就会方便很多
所以我这次先给大家说碰撞检测，如果想有很好的反馈……还是接入成熟的物理引擎比较好
赛车和赛道的碰撞检测，我们先得把3D转成2D去看，因为我们这边也没什么障碍物上下坡啥的，简单嘛

2D碰撞，我们可以去检测赛车的左右边和障碍物的边

首先我们有了赛道的2D数据，再去动态获得赛车的左右边，拿去检测
获取左边的代码

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var tempA = -(this.car.rotation.y + 0.523);
this.leftFront.x = Math.sin(tempA) * 8 + tempX;
this.leftFront.y = Math.cos(tempA) * 8 + tempZ;
tempA = -(this.car.rotation.y + 2.616);
this.leftBack.x = Math.sin(tempA) * 8 + tempX;
this.leftBack.y = Math.cos(tempA) * 8 + tempZ;
……
Car.prototype.physical = function() {
    var i = 0;
    for(; i < outside.length; i += 4) {
        if(isLineSegmentIntr(this.leftFront, this.leftBack, {
            x: outside[i],
            y: outside[i+1]
        }, {
            x: outside[i+2],
            y: outside[i+3]
        })) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
};

这个和摄像头的概念有点类型，不过数学计算上麻烦一些
线和线的碰撞检测我们就用三角形面积法，最快的线与线碰撞检测

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function isLineSegmentIntr(a, b, c, d) {
    // console.log(a, b);
    var area_abc = (a.x - c.x) * (b.y - c.y) - (a.y - c.y) * (b.x - c.x);
    var area_abd = (a.x - d.x) * (b.y - d.y) - (a.y - d.y) * (b.x - d.x);
    if(area_abc * area_abd > 0) {
        return false;
    }
    var area_cda = (c.x - a.x) * (d.y - a.y) - (c.y - a.y) * (d.x - a.x);
    var area_cdb = area_cda + area_abc - area_abd ;
    if(area_cda * area_cdb > 0) {
        return false;
    }
    return true;
}

碰上之后呢？虽然我们没有完美的反馈，但是基本的也应该有啊，我们将速度置0重新出现，总得把赛车方向重置正确对不对？否则玩家就一直在撞了……重置方向的用赛车本来的方向向量，去投影到碰撞边，得出的向量就是重置的方向

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function getBounceVector(obj, w) {
    var len = Math.sqrt(w.vx * w.vx + w.vy * w.vy);
    w.dx = w.vx / len;
    w.dy = w.vy / len;
    w.rx = -w.dy;
    w.ry = w.dx;
    w.lx = w.dy;
    w.ly = -w.dx;
    var projw = getProjectVector(obj, w.dx, w.dy);
    var projn;
    var left = isLeft(w.p0, w.p1, obj.p0);
    if(left) {
        projn = getProjectVector(obj, w.rx, w.ry);
    } else {
        projn = getProjectVector(obj, w.lx, w.ly);
    }
    projn.vx *= -0.5;
    projn.vy *= -0.5;
    return {
        vx: projw.vx + projn.vx,
        vy: projw.vy + projn.vy,
    };
}
function getProjectVector(u, dx, dy) {
    var dp = u.vx * dx + u.vy * dy;
    return {
        vx: (dp * dx),
        vy: (dp * dy)
    };
}

漂移

赛车没有漂移，就好像就是打开一款网络游戏发现网线断了一样
我们这边不去考虑漂移过弯和正常过弯到底哪个快，有兴趣的同学可以查一查，还挺有意思的
先说明三点结论
1、漂移赛车游戏的核心之一(帅)，不做不行
2、漂移一大核心是出弯方向更佳，不需要扭动车头(其他好处和坏处略，因为这个在视觉上看起来是最直观的)
3、网上没有现成很好用的漂移算法(不考虑unity)，所以需要我们来模拟漂移
模拟的话，我们就先要知道漂移的原理，还记得之前我们说的偏航角么？偏航角就是漂移在视觉上的体验
规范一点说偏航角就是赛车运动方向和车头朝向方向不一致时，差异的角就叫做偏航角
所以我们的模拟漂移呢，需要做到两步
1、产生偏航角，在视觉上让玩家感受到漂移
2、出弯方向正确，在真实性上让玩家感受到。总不至于玩家一个漂移后发现过弯更难受……
下面就针对这两点进行模拟，其实知道了目的，还是很好模拟的
偏航角的产生，我们就要去维护两个方向，一个是车身真正的旋转方向realRotation，一个是赛车真正的运动方向dirRotation(摄像机跟随的也是这个！)
在平时这两个值都是一样的，但是一旦用户按下space，就要开始有所变化

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var time = Date.now();
this.dirRotation += this.rSpeed;
this.realRotation += this.rSpeed;
var rotation = this.dirRotation;
if(this.isBrake) {
    this.realRotation += this.rSpeed * (this.speed / 2);
}
this.car.rotation.y = this.realRotation;
this.frontLeftWheel.wrapper.rotation.y = this.realRotation;
this.frontRightWheel.wrapper.rotation.y = this.realRotation;
this.frontLeftWheel.wheel.rotation.y = (this.dirRotation - this.realRotation) / 2;
this.frontRightWheel.wheel.rotation.y = (this.dirRotation - this.realRotation) / 2;
camera.rotation.y = this.dirRotation;

此时偏航角已经产生
用户松开space的时候，两个方向要开始统一，此时切记一定是dirRotation朝着realRotation统一的，否则漂移出弯的意义就没啦

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var time = Date.now();
if(this.isBrake) {
    this.realRotation += this.rSpeed * (this.speed / 2);
} else {
    if(this.realRotation !== this.dirRotation) {
        this.dirRotation += (this.realRotation - this.dirRotation) / 20000 * (this.speed) * (time - this.cancelBrakeTime); // 和速度时间有关系，参数可以尝试调整
    }
}

结尾

时间关系，写的不是那么细节，不过核心的地方基本上也都写了，如果有问题可以留言讨论~
这个游戏还是有非常多的不足与缺陷，后续我还会优化完善，感兴趣的同学可以持续关注~
感谢您的阅读~

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Written on December 5, 2017