本文來源于兩年前我的一篇CSDN博客。CSDN博客本來就沒寫多少，現(xiàn)在也基本是到簡書上混了。所以各位大大請自覺繞過哈。
在我們的游戲開發(fā)過程中，有一個很重要的工作就是進行碰撞檢測。例如在射擊游戲中子彈是否擊中敵人，在RPG游戲中是否撿到裝備等等。在進行碰撞檢測時，我們最常用的工具就是射線，Unity 3D的物理引擎也為我們提供了射線類以及相關(guān)的函數(shù)接口。本文將對射線的使用進行一個總結(jié)。
射線是在三維世界中從一個點沿一個方向發(fā)射的一條無限長的線。在射線的軌跡上，一旦與添加了碰撞器的模型發(fā)生碰撞，將停止發(fā)射。我們可以利用射線實現(xiàn)子彈擊中目標(biāo)的檢測，鼠標(biāo)點擊拾取物體等功能。
射線的創(chuàng)建和顯示
Ray射線類和RaycastHit射線投射碰撞信息類是兩個最常用的射線工具類。
創(chuàng)建一條射線Ray需要指明射線的起點（origin）和射線的方向（direction）。這兩個參數(shù)也是Ray的成員變量。注意，射線的方向在設(shè)置時如果未單位化，Unity 3D會自動進行單位歸一化處理。射線Ray的構(gòu)造函數(shù)為 ：
public Ray(Vector3 origin, Vector3 direction);
RaycastHit類用于存儲發(fā)射射線后產(chǎn)生的碰撞信息。常用的成員變量如下：collider與射線發(fā)生碰撞的碰撞器
distance 從射線起點到射線與碰撞器的交點的距離
normal 射線射入平面的法向量
point 射線與碰撞器交點的坐標(biāo)（Vector3對象）
Physics.Raycast靜態(tài)函數(shù)用于在場景中發(fā)射一條可以和碰撞器碰撞的射線，相關(guān)的API如下：
**1）public static bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, float distance=Mathf.Infinity, intlayerMask=DefaultRaycastLayers);**
**參數(shù)說明：**
origin 射線起點世界坐標(biāo)
direction 射線方向矢量
distance 射線長度（起點到終點的距離），默認設(shè)置為無限長
layerMask 顯示層掩碼（只選擇層次為layerMask指定層次的碰撞器進行碰撞，其他層次的碰撞器忽略）
**返回值說明：**
當(dāng)射線與碰撞器發(fā)生碰撞時返回值為true，未穿過任何碰撞器時返回為false。
**2）public static boolRaycast(Vector3 origin, Vector3 direction, RaycastHit hitInfo, float distance =Mathf.Infinity, int layerMask = DefaultRaycastLayers);**
這個重載函數(shù)定義了一個碰撞信息類**RaycastHit**，在使用時通過out關(guān)鍵字傳入一個空的碰撞信息對象。當(dāng)射線與碰撞器發(fā)生碰撞時，該對象將被賦值，可以獲得碰撞信息包括transform、rigidbody、point 等。如果未發(fā)生碰撞，該對象為空。
**3）public static boolRaycast(Ray ray, float distance = Mathf.Infinity, int layerMask =DefaultRaycastLayers);**
這個重載函數(shù)使用已有的一條射線Ray來作為參數(shù)。
**4）public static boolRaycast(Ray ray, RaycastHit hitInfo, float distance = Mathf.Infinity, intlayerMask = DefaultRaycastLayers);**
這個重載函數(shù)使用已有的射線Ray來作為參數(shù)并獲取碰撞信息RaycastHit。
在調(diào)試時如果想顯示一條射線，可以使用Debug.DrawLine來實現(xiàn)。
**public static void DrawLine(Vector3start, Vector3 end, Color color);**
只有當(dāng)發(fā)生碰撞時，在Scene視圖中才能看到畫出的射線。
下面這個例子創(chuàng)建了一個從主攝像機向y軸負向發(fā)射一條射線檢測下方是否有平面存在。在場景中攝像機下方創(chuàng)建一個Plane游戲?qū)ο螅⑾旅娴哪_本RayDemo01.cs掛載到攝像機上。
using UnityEngine;
using System.Collections;
public class RayDemo01 : MonoBehaviour {
void Update () {
// 以攝像機所在位置為起點，創(chuàng)建一條向下發(fā)射的射線
Ray ray = new Ray(transform.position, -transform.up);
RaycastHit hit;
if(Physics.Raycast(ray, out hit, Mathf.Infinity))
{
// 如果射線與平面碰撞，打印碰撞物體信息
Debug.Log("碰撞對象: " + hit.collider.name);
// 在場景視圖中繪制射線
Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point, Color.red);
}
}
}
運行程序后，如圖1所示，在場景視圖中可以看見攝像機發(fā)出的射線。當(dāng)檢測到下方的平面時，會在控制臺中打印輸出檢測結(jié)果，如圖2所示。
定向發(fā)射射線的實現(xiàn)
當(dāng)我們要使用鼠標(biāo)拾取物體或判斷子彈是否擊中物體時，我們往往是沿著特定的方向發(fā)射射線，這個方向可能是朝向屏幕上的一個點，或者是世界坐標(biāo)系中的一個矢量方向，沿世界坐標(biāo)系中的矢量方向發(fā)射射線我們已經(jīng)在上面演示過如何實現(xiàn)。針對向屏幕上的某一點發(fā)射射線，Unity 3D為我們提供了兩個API函數(shù)以供使用，分別是ScreenPointToRay和ViewportPointToRay。
public Ray ScreenPointToRay(Vector3 position);
參數(shù)說明：position是屏幕上的一個參考點坐標(biāo)。
返回值說明：返回射向position參考點的射線。當(dāng)發(fā)射的射線未碰撞到物體時，碰撞點hit.point的值為(0,0,0)。
ScreenPointToRay方法從攝像機的近視口nearClip向屏幕上的一點position發(fā)射射線。Position用實際像素值表示射線到屏幕上的位置。當(dāng)參考點position的x分量或y分量從0增長到最大值時，射線將從屏幕的一邊移動到另一邊。由于position在屏幕上，因此z分量始終為0。
下面我們用一段程序示例說明如何利用ScreenPointToRay來發(fā)射一條指向屏幕上的某點來進行定向檢測碰撞體。在場景中創(chuàng)建一個Cube位于攝像機的正前方，將下面的腳本RayDemo02.cs掛載到攝像機上。
using UnityEngine;
using System.Collections;
public class RayDemo02 : MonoBehaviour {
Ray ray;
RaycastHit hit;
// 創(chuàng)建射線到屏幕上的參考點，像素坐標(biāo)
Vector3 position = new Vector3(Screen.width/2.0f, Screen.height/2.0f, 0.0f);
void Update () {
// 射線沿著屏幕x軸從左向右循環(huán)掃描
position.x = position.x >= Screen.width ? 0.0f : position.x + 1.0f;
// 生成射線
ray = Camera.main.ScreenPointToRay(position);
if(Physics.Raycast(ray, out hit, 100.0f))
{
// 如果與物體發(fā)生碰撞，在Scene視圖中繪制射線
Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point, Color.green);
// 打印射線檢測到的物體的名稱
Debug.Log("射線檢測到的物體名稱: " + hit.transform.name);
}
}
}
在這段代碼中，首先聲明了一個變量position，用于記錄射線到屏幕上的實際交點的像素坐標(biāo)，然后在Update方法中更改position的x分量值，使得射線從屏幕左方向右方不斷循環(huán)掃描，接著調(diào)用方法ScreenPointToRay生成射線ray，最后繪制射線和打印射線探測到的物體的名稱。運行程序后，如圖3所示，在Scene視圖中可以看到我們繪制的射線正在場景中掃描，圖4是在控制臺下打印輸出射線探測到的物體名稱。
public Ray ViewportPointToRay(Vector3 position);
參數(shù)說明：position為屏幕上的一個參考點坐標(biāo)（坐標(biāo)已單位化處理）。
返回值說明：返回射向position參考點的射線。當(dāng)發(fā)射的射線未碰撞到物體時，碰撞點hit.point的值為(0,0,0)。
ViewportPointToRay方法從攝像機的近視口nearClip向屏幕上的一點position發(fā)射射線。Position用單位化比例值的方式表示射線到屏幕上的位置。當(dāng)參考點position的x分量或y分量從0增長到1時，射線將從屏幕的一邊移動到另一邊。由于position在屏幕上，因此z分量始終為0。
下面我們用一段程序示例說明如何利用ViewportPointToRay來發(fā)射一條指向屏幕上的某點來進行定向檢測碰撞體。在場景中創(chuàng)建一個Cube位于攝像機的正前方，將下面的腳本RayDemo03.cs掛載到攝像機上。
using UnityEngine;
using System.Collections;
public class RayDemo03 : MonoBehaviour {
Ray ray;
RaycastHit hit;
// 創(chuàng)建射線到屏幕上的參考點，單位化坐標(biāo)
Vector3 position = new Vector3(0.5f, 0.5f, 0.0f);
void Update () {
// 射線沿著屏幕x軸從左向右循環(huán)掃描
position.x = position.x >= 1.0f ? 0.0f : position.x + 0.002f;
// 生成射線
ray = Camera.main.ViewportPointToRay(position);
if(Physics.Raycast(ray, out hit, 100.0f))
{
// 如果與物體發(fā)生碰撞，在Scene視圖中繪制射線
Debug.DrawLine(ray.origin, hit.point, Color.green);
// 打印射線檢測到的物體的名稱
Debug.Log("射線檢測到的物體名稱: " + hit.transform.name);
}
}
}
在這段代碼中，首先聲明了一個變量position，用于記錄射線到屏幕上的實際交點的像素坐標(biāo)，然后在Update方法中更改position的x分量值，使得射線從屏幕左方向右方不斷循環(huán)掃描，接著調(diào)用方法ViewportPointToRay生成射線ray，最后繪制射線和打印射線探測到的物體的名稱。運行程序后，如圖5所示，在Scene視圖中可以看到我們繪制的射線正在場景中掃描，圖6是在控制臺下打印輸出射線探測到的物體名稱。
利用二次發(fā)射射線的方式檢測內(nèi)部物體
有的時候我們要檢測的物體在其他物體的內(nèi)部，并且這兩個物體都具有碰撞器，用射線檢測返回的是第一個物體的信息。在這種情況下，我們需要使用二次射線發(fā)射的做法，即以第一次射線碰撞的外層物體的碰撞點作為第二次射線發(fā)射的起點，沿原來方向發(fā)射射線，判斷是否與內(nèi)部物體發(fā)生碰撞。
下面我們用一段代碼示例來說明如何用二次發(fā)射射線來檢測位于物體內(nèi)部的目標(biāo)。在場景中創(chuàng)建兩個Cube，位于攝像機的正前方。在其中一個Cube的位置上創(chuàng)建一個Sphere，并設(shè)置它的大小為Cube的一半，這樣Sphere就位于Cube的內(nèi)部。將下面的腳本RayDemo04.cs掛載到攝像機上。
using UnityEngine;
using System.Collections;
public class RayDemo04 : MonoBehaviour {
GameObject wrapper; // 外層物體
GameObject target; // 內(nèi)層物體
string info = ""; // 碰撞檢測信息
void Update () {
if(Input.GetMouseButton (0))
{
// 當(dāng)鼠標(biāo)左鍵按下時，向鼠標(biāo)所在的屏幕位置發(fā)射一條射線
Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);
RaycastHit hitInfo;
if(Physics.Raycast(ray, out hitInfo))
{
// 當(dāng)射線與物體發(fā)生碰撞時，在場景視圖中繪制射線
Debug.DrawLine(ray.origin, hitInfo.point, Color.red);
// 獲得第一次碰撞的外層物體對象
wrapper = hitInfo.collider.gameObject;
// 以第一次的碰撞點為起點，沿原來的方向二次發(fā)射射線
Ray ray2= new Ray(hitInfo.point, ray.direction);
RaycastHit hitInfo2;
if(Physics.Raycast(ray2, out hitInfo2))
{
// 當(dāng)射線與內(nèi)層物體碰撞時，在場景中繪制射線
Debug.DrawLine(ray2.origin, ray2.direction, Color.green);
// 獲得內(nèi)層物體對象
target = hitInfo2.collider.gameObject;
// 將外層物體的網(wǎng)格隱藏
wrapper.GetComponent<MeshRenderer().enabled = false;
// 設(shè)置碰撞信息
info = "檢測到物體: " + target.name + "坐標(biāo): " + target.transform.position;
}
else
{
// 如果二次發(fā)射的射線沒有與內(nèi)層物體碰撞
// 顯示外層物體的網(wǎng)格
wrapper.GetComponent<MeshRenderer>().enabled = true;
// 設(shè)置碰撞信息
info = "檢測到物體: " + wrapper.name + "坐標(biāo): " + wrapper.transform.position;
}
}
}
}
void OnGUI(){
// 在屏幕上打印輸出射線檢測的信息
GUILayout.Label(info);
}
}
在上面這段代碼中我們使用左移位操作符<<來設(shè)置碰撞層的掩碼layerMask。Unity 3D中共有32個層，對應(yīng)使用一個32位整數(shù)的各個位來表示每個層級，當(dāng)這個位為1時表示使用這個層，為0時表示不使用這個層。
LayerMask.NameToLayer這個API是返回我們使用自定義命名所定義的層的層索引，注意從0開始。當(dāng)我們使用左移位操作設(shè)置層次掩碼時，對應(yīng)的自定義層級是n我們就將1左移n位，這樣射線就只在layerMask指定的層次上進行碰撞檢測。可供使用的自定義的層級從第8層開始，我們將8~10層分別命名為Capsule、Sphere和Cube，并將Capsule、Shpere和Cube三個物體的layer分別設(shè)置為對應(yīng)的層次。一開始我們將所有物體設(shè)置為透明不可見。當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵發(fā)射射線時，返回射線方向上所有碰撞的物體信息，將獲取到的物體對象，全部設(shè)置為半透明可見。點擊按鈕可以切換檢測碰撞的層次。
運行代碼，如圖9、圖10所示，當(dāng)切換不同的按鈕控制射線在不同的層次上檢測碰撞，顯示的物體也便不同。
當(dāng)然還有很多的關(guān)于射線使用的API不能一一贅述，這篇只是做一個簡單的梳理，更多的API例如SphereCast、LineCast的具體用法可以查閱官方文檔。
