打開FPS第一人稱射擊遊戲發展史，如何「讓子彈飛」一直都是個難題

自 1992年Wolfenstein 3D火爆以來，FPS（第一人稱射擊遊戲）遊戲就一直是影視遊戲行業的主要內容  。從那時起，這種類型隨著圖形升級，龐大的預算和電子競技生態系統而發展。但是，它的核心－－槍戰原理又是怎樣的呢？我們在這方面的進展如何？為什麼有些槍械給人的感覺是真槍實彈，而有些槍械卻像玩具一樣？

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，子彈的演算法也在不斷進步，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演算法。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，這種演算法叫做「命中掃描」（hitscan），當你扣下扳機時，物理引擎會計算下面幾件事：

1. 槍口所指的方向；
2. 從槍口射出一束射線，直到達到規定的範圍，比如碰到牆；
3. 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演算法，最大的好處是運算簡單快速，不需要額外的記憶體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，所需的網路資源也最少。

因此，行業中的許多遊戲都將hitscan用作射擊演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《鬥陣特攻》、《決勝時刻》裡的一些武器即是採用hitscan演算法。

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。

為子彈加上彈道

這個演算法聽起來很花哨，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。

而且在這種演算法下，子彈不會瞬間移動，還可以做到以下功能：

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. 做到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運算，來確保所有對像都同步，並且必須解決不同玩家之間的差異或衝突，以免在同一台伺服器上為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。

這種方法將減少反復創建和銷毀對象的計算和記憶體成本。

至於遊戲時間的同步，存在著多種計算方法：

1. 時間是與算繪分開計算，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算繪之後經過的確切時間。
2. 計算每一影格的時間，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，這種演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。

最簡單的辦法就是讓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《戰慄時空》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，進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。

也可以混合兩種演算法以增強遊戲的功能。

《狙擊之神》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。

 

• 資料來源：How Do Bullets Work in Video Games?
• 本文授權轉載自量子位