[技术]利用Cinemachine快速创建游戏中的相机系统

06月

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相机系统是我们在游戏开发中非常重要的一个模块，而且随着现在的游戏越来越复杂，它的相机系统也越来越复杂，如何实现各种炫酷的镜头，如何管理场景中各个相机，就成为我们开发游戏中非常重要的一个问题。

Cinemachine作为Unity官方的解决方案，致力于帮助开发者高效的实现游戏中的相机系统。本文将由Unity技术经理成亮来为大家介绍如何利用Cinemachine快速创建游戏中的相机系统。

Cinemachine 相机系统总体介绍

首先我们来看一下在开发游戏的时候都会遇到的一些问题，大致分为五类：跟踪、瞄准、物理相关（碰撞、实现遮挡）、镜头特效、镜头切换。

这些问题适用于各类游戏，不管是2D还是3D游戏，或者是各种视角的游戏。

大家都知道，Unity都相机组件功能比较简单，主要是负责渲染相关的功能。为了解决上述问题，Cinemachine提供了一个虚拟相机的组件。这个组件不仅提供各种强大的功能，还提供一个非常灵活都架构以方便功能扩展。这个虚拟相机就好像拍电影的时候常见的摇臂或者导轨，它让相机的功能更加的强大。

Cinemachine提供了很多预先设置好的行为。例如：常见的第三人称绕着角色旋转的行为，或者沿着导轨滑动的行为。通过提前预置行为，可以帮助我们非常方便的来实现游戏中的功能。也就是通过程序化的方式，提升我们的开发效率。

Cinemachine核心组件包括Brain和Virtual Camera（虚拟相机），Brain负责相机的切换。虚拟相机复杂拍摄。

通常我们的场景中不是单一的虚拟摄像机，而是由很多台虚拟相机来完成拍摄任务，如下图所示。因此大家在制作游戏的时候更像是一个电影导演，可以通过各种相机实现各种炫酷的镜头，完成各种不同角度到拍摄。

虚拟相机详解
虚拟相机主要由六个模块组成，分别是：
Lens：包括调整FOV等参数； Body：负责处理相机和跟踪目标之间的相对位置的这样一个关系； Aim：负责处理焦点和跟踪目标在镜头中的相对位置； Noise：模拟手持相机的晃动；后处理模块：让每个镜头有不同的后处理效果； Extnesions可扩展模块：包括碰撞处理等功能。

下面我们对重点模块进行详细讲解。

首先介绍Body模块，在代码层面称为Transposer，它的主要功能是处理场景中相机和它的目标之间的位置关系。我们可以把它用数学变量表示就是Offset，Offset是一个向量，不仅有大小还有方向。那么Offset的计算方式不同，可以带来不同的跟踪效果。

Transposer的类型目前有五类：
Ransposer：基本类型； Obital Transposer：可以根据用户输入绕目标旋转； Framing Tansposer：在屏幕空间中计算相机和目标的Offset; Racked Dolly：把相机设置到一个轨道上； HardLockToTarget：把相机和目标的位置和朝向进行绑定，常用于第一人称模式。

我们首先看一下Transposer类型。它的参数里面包括了相机和跟踪目标的偏移量，缓动参数，还有绑定的模式。

绑定模式目前是支持六种的绑定模式，大家看到前四种和LockToTarget相关，第五种是WorldSpace，第六种是SimpleFollowWithWorldUp。那么前四种其实它主要的意思是摄像机和目标之间的Offset的计算是以目标为参考系，也就是Offset是在目标的局部空间中，目标转动相机会跟着目标进行旋转，下面这些参数会有一些调整和变化，但是基本上大家理解之后就没有什么问题。WorldSpace则是把Offset放在世界坐标中计算，不会算目标旋转而选择。最后的SimpleFollowWithWorldUp则是把Offset放到相机的坐标系中进行计算。

Obital Transposer能接受用户的输入，并根据这个输入控制相机绕着目标进行旋转，主要是运用在第三人称游戏。由于旋转的时候需要一个基准的方向，而这个方向我们称之为Heading。

Framing Transposer计算屏幕空间中相机和目标的相对位置，常用于2D游戏。

接下来我们再看虚拟相机的另一个重要组件Aim，在代码层面我们也称之为Composer。其中包含基本类型Composer；Group Composer不是跟踪单一目标，是跟踪群体中的某个位置；然后是POV，类似于第一人称相机的模式，没有具体跟踪到某一个目标，但是根据输入进行自由旋转。然后Hard Look At是锁死某一个目标，然后还有Same As Follow主要是对Follow的目标，保持同样的旋转和朝向。

在Composer中可以设置焦点和目标之间的偏移，追踪目标时候的缓动。在下图中的红色区域我们称之为是DeadZone，当相机和目标距离相对位置超出边界的时候，相机才进行追踪，这也是为了实现一些缓动的效果。那么除此之外还可以设置整个焦点的偏移，我可以把整个相机的焦点区域往任何一个屏幕方向进行偏移。

POV Composer通常和Hard lock To Targt来结合实现第一人称视角相机。

Noise组件用于实现相机和目标之间的晃动效果。

Postprocessing组件，每个相机都可以添加一组后处理效果。

扩展组件，有Collider负责相机碰撞检测以及视线遮挡等功能；Confiner负责定义相机的活动范围；FollowZoom动态调整镜头FOV，以便目标在移动的时候会在镜头中保持同样的大小；Story Board是最新的功能，可以在镜头中放置一副参考图，便于摆放位置和调色。

相信通过以上介绍，我们已经了解了虚拟相机的基本功能。下面就结合这些基本功能，为大家展示按照下面步骤如何实现追踪赛车的相机。
通过Cinemachine菜单在场景中创建一台虚拟相机（Virtual Camera）。然后设置Look At 和 Follow为赛车（Ship）。在Body组件中对相机的位置进行微调，就是Follow Offset部分的参数。由于我们的相机是随着赛车转动而转动，所以绑定模式应该是Lock To Targt这个模式。为了增加真实感，还需调整Damping部分参数以实现缓动效果。为了避免侧翻或者转弯的时候显得非常生硬，可以调整转动相关的缓动参数。具体的参数数值可以参考下图。

通过以上这些简单的设置，我们就实现了一个效果不错的赛车跟随相机。

组合虚拟相机介绍
Unity为大家提供了种类比较丰富的组合相机，包括：FreeLook，BlendList，State Driven，Dolly Camera，2D Camera等。

FreeLook可以围绕目标水平和竖直转动，实际上由三个Body组件为Obit Transposer的虚拟相机构成。我们可以利用FreeLook很轻易的实现第三人称相机。

State Driven相机可以把动画状态和相机进行绑定，当动画状态切换的时候，相机自动进行切换。

Clear Shot相机可以管理一组相机，自动选择进行最佳拍摄的距离。

Target Group相机可以设置相机焦点到多个拍摄目标的中间。比如两个人谈话的时候相机不是对着某个人，而是直接对他们的中间，并且我们可以设置权重调整焦点的偏移。

Cinemachine和Timeline
Cinemachine提供了Timeline轨道，因此我们可以用Timeline管理场景中的虚拟相机，让虚拟相机更精确的在时间轴上面进行动画的播放以及镜头的混合。

小结
通过本文介绍，我们可以看到Cinemachine为游戏的制作提供了一套较为完整的解决方案。通过这些功能，我们可以快速的实现各种相机效果。并且虚拟相机也提供了非常开放和灵活的架构，大家可以根据需求对相机行为进行扩展。更多Unity技术文章，欢迎访问Unity官方中文论坛(Unitychina.cn)！
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