自制载具系统：CylinderCaster

Everett Rain2024-12-202024-12-23

本博客实现的代码以 Unity Asset Store 中 USHISOFT 的资源代码 CylinderCaster 为参考

整体代码

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

namespace AntarctiCar
{
    public class CylinderCaster : MonoBehaviour
    {
        private Rigidbody _rigidbody;
        private MeshCollider _meshCollider;

        private float _radius;
        private float _width;
        private int _resolution;

        public float Radius
        {
            get => _radius;
        }

        public float Width
        {
            get => _width;
        }

        public int Resolution
        {
            get => _resolution;
        }

        private void Awake()
        {
            _rigidbody = gameObject.AddComponent<Rigidbody>();
            _rigidbody.isKinematic = true;

            _meshCollider = gameObject.AddComponent<MeshCollider>();
            _meshCollider.convex = true;
            _meshCollider.isTrigger = true;
        }

        public bool Cast(Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float distance)
        {
            return _rigidbody.SweepTest(
                direction,          // 用于扫掠刚体的方向
                out hitInfo,        // 如果返回true，则将包含有关碰撞器被击中的更多信息
                distance);          // 扫掠的最大长度
        }

        public void Init(float radius, float width, int resolution)
        {
            _radius = radius;
            _width = width;
            _resolution = resolution;

            _meshCollider.sharedMesh = GenerateMesh(_radius, _width, _resolution);
        }

        private Mesh GenerateMesh(float radius, float width, int resolution)
        {
            var verts = new List<Vector3>();            // 创建顶点 List
            for (var i = 0; i < resolution; i++)        // for 循环遍历每个角度来计算顶点位置
            {
                var radian = 2f * Mathf.PI * (float)i / (float)resolution; // 使用输入的分辨率 resolution 计算弧度 radian，分辨率越大，弧度越精细
                var y = Mathf.Sin(radian) * radius;                        // 计算该顶点的 y 坐标值
                var z = -Mathf.Cos(radian) * radius;                       // 计算该顶点的 x 坐标值
                verts.Add(new Vector3(-width / 2f, y, z));                 // 添加第一个计算出的轮胎顶点（一共有两个，分别位于轮胎同一弧度的两侧）
                verts.Add(new Vector3(width / 2f, y, z));                  // 添加第二个计算出的轮胎顶点（一共有两个，分别位于轮胎同一弧度的两侧）
            }

            var tris = new List<int>();                  // 创建三角形面片索引 List
            for (var i = 0; i < resolution; i++)
            {
                // 第一组三角形
                tris.Add(i * 2);                                // 添加当前细分段左侧顶点
                tris.Add(i * 2 + 1);                            // 添加当前细分段右侧顶点
                tris.Add(((i + 1) * 2) % (resolution * 2));     // 添加下一细分段左侧顶点

                // 第二组三角形
                tris.Add(i * 2 + 1);                            // 添加当前细分段右侧顶点
                tris.Add(((i + 1) * 2 + 1) % (resolution * 2)); // 添加下一细分段右侧顶点
                tris.Add(((i + 1) * 2) % (resolution * 2));     // 添加下一细分段左侧顶点
            }

            var mesh = new Mesh();              // 新建 mesh 对象
            mesh.vertices = verts.ToArray();    // 将顶点列表赋值给 mesh 对象的 vertices 顶点数组 (vertice - 顶点)
            mesh.triangles = tris.ToArray();    // 将三角形面片索引列表赋值给 mesh 对象的 triangles 三角形数组
            return mesh;                        // 返回该 mesh 对象
        }
    }
}

变量解释

在开始主要程序的编写之前，我们需要先对 CylinderCaster 所需的变量有一个基本的了解

private Rigidbody _rigidbody;
private MeshCollider _meshCollider;

private float _radius;
private float _width;
private int _resolution;

_rigidbody 引用刚体组件，使物体能够参与物理模拟，如碰撞检测、重力影响等。同时，在 Awake 方法中初始化时，将其设置为运动学模式（isKinematic = true），这意味着它不会受到物理引擎的影响（例如重力或碰撞力），但仍然可以进行碰撞检测。
_meshCollider 引用附加到游戏对象的网格碰撞器组件，即根据轮胎模型的网格生成碰撞体。在 Awake 方法中初始化时，设置为凸多边形（convex = true）以提高性能，并设置为触发器（isTrigger = true），以便可以在不施加物理力的情况下检测碰撞。
_radius、_width、_resolution 的详细介绍可以在自制载具系统：WheelCollider2 找到，已经了解的可跳过此处。

将 _radius、_width、_resolution 的读取权限暴露给外界，实现只读不写的部分公共化：

public float Radius
{
    get => _radius;
}

public float Width
{
    get => _width;
}

public int Resolution
{
    get => _resolution;
}

这些只读属性提供了访问私有成员变量的方式，允许外部脚本获取轮胎的尺寸和分辨率信息。

方法部分

初始化方法 `Awake`

private void Awake()
{
    _rigidbody = gameObject.AddComponent<Rigidbody>();
    _rigidbody.isKinematic = true;

    _meshCollider = gameObject.AddComponent<MeshCollider>();
    _meshCollider.convex = true;
    _meshCollider.isTrigger = true;
}

Awake 方法在脚本实例化时调用，用于初始化组件，在执行顺序上具有高于 Start 的优先级。

Rigidbody：

添加一个刚体组件，并将其设置为运动学模式（isKinematic = true），这意味着它不会受到物理引擎的影响，但仍然可以进行碰撞检测。

MeshCollider：

添加一个网格碰撞器，并将其设置为凸多边形（convex = true），以提高碰撞检测性能。
设置为触发器（isTrigger = true），以便可以在不施加物理力的情况下检测碰撞。

碰撞检测方法 `Cast`

public bool Cast(Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float distance)
{
    return _rigidbody.SweepTest(
        direction,          // 用于扫掠刚体的方向
        out hitInfo,        // 如果返回true，则将包含有关碰撞器被击中的更多信息
        distance);          // 扫掠的最大长度
}

Cast 方法从外界获取 Vector3 类型的 direction 方向、获取并返回修改后的 RaycastHit 碰撞信息、获取浮点类型的 distance 距离。
在方法内部使用刚体的 SweepTest 方法执行射线检测。
SweepTest 方法检查轮子是否会在给定方向和距离内碰到其他物体，并返回碰撞信息（RaycastHit），该碰撞信息也会原路返回到调用 Cast 方法的位置。
返回值为布尔型，当刚体扫掠与任何碰撞器相交时为 true，否则为 false。

初始化几何形状 `Init`

public void Init(float radius, float width, int resolution)
{
    _radius = radius;
    _width = width;
    _resolution = resolution;

    _meshCollider.sharedMesh = GenerateMesh(_radius, _width, _resolution);
}

Init 方法从外部获取浮点类型的 radius、width，整型的 resolution 变量
用从外界获取到的这三个变量初始化 CylinderCaster 类的 _radius、_width、_resolution 三个变量。
将这三个变量传递给 GenerateMesh() 方法生成新的网格，并将其分配给网格碰撞器 _meshCollider。

生成网格方法 `GenerateMesh`

private Mesh GenerateMesh(float radius, float width, int resolution)
{
    var verts = new List<Vector3>();            // 创建顶点 List
    for (var i = 0; i < resolution; i++)        // for 循环遍历每个角度来计算顶点位置
    {
        var radian = 2f * Mathf.PI * (float)i / (float)resolution; // 使用输入的分辨率 resolution 计算弧度 radian，分辨率越大，弧度越精细
        var y = Mathf.Sin(radian) * radius;                        // 计算该顶点的 y 坐标值
        var z = -Mathf.Cos(radian) * radius;                       // 计算该顶点的 x 坐标值
        verts.Add(new Vector3(-width / 2f, y, z));                 // 添加第一个计算出的轮胎顶点（一共有两个，分别位于轮胎同一弧度的两侧）
        verts.Add(new Vector3(width / 2f, y, z));                  // 添加第二个计算出的轮胎顶点（一共有两个，分别位于轮胎同一弧度的两侧）
    }

    var tris = new List<int>();                  // 创建三角形面片索引 List
    for (var i = 0; i < resolution; i++)
    {
        // 第一组三角形
        tris.Add(i * 2);                                // 添加当前细分段左侧顶点
        tris.Add(i * 2 + 1);                            // 添加当前细分段右侧顶点
        tris.Add(((i + 1) * 2) % (resolution * 2));     // 添加下一细分段左侧顶点

        // 第二组三角形
        tris.Add(i * 2 + 1);                            // 添加当前细分段右侧顶点
        tris.Add(((i + 1) * 2 + 1) % (resolution * 2)); // 添加下一细分段右侧顶点
        tris.Add(((i + 1) * 2) % (resolution * 2));     // 添加下一细分段左侧顶点
    }

    var mesh = new Mesh();              // 新建 mesh 对象
    mesh.vertices = verts.ToArray();    // 将顶点列表赋值给 mesh 对象的 vertices 顶点数组 (vertice - 顶点)
    mesh.triangles = tris.ToArray();    // 将三角形面片索引列表赋值给 mesh 对象的 triangles 三角形数组
    return mesh;                        // 返回该 mesh 对象
}

顶点生成

使用循环遍历每个角度（从 0 到 2π），计算圆柱表面的顶点位置。
每个角度对应两个顶点（左右两侧），形成圆柱侧面。
注意生成点的顺序：如果从车轮后方顺平行于地面的一条直径从后往前看，生成的点的顺序为：

第 0 细分段：顶点 0（左）、顶点 1（右）弧度 0
第 1 细分段：顶点 2（左）、顶点 3（右）弧度 0.5PI
第 2 细分段：顶点 4（左）、顶点 5（右）弧度 1.0PI
第 3 细分段：顶点 6（左）、顶点 7（右）弧度 1.5PI

注意：上面的“弧度”等价于从轮胎左侧观察建立坐标系的一般弧度值（从 X 轴正方向开始逆时针增加）。且该示例为 resolution = 4 的情况，只是为了方便理解，实际的 resolution 的最小值为 8，每个细分段对应着一个弧度角在该圆柱体侧面的一条高线。

三角形索引生成

初始化三角形索引列表：

1	var tris = new List<int>();

tris 是一个整数列表，用来存储构成网格的三角形顶点索引。

每个三角形由三个顶点索引组成，而整个圆柱表面由多个这样的三角形拼接而成。

循环遍历分辨率以构建三角形：

for (var i = 0; i < resolution; i++)
{
    // 添加三角形索引
}

resolution 是圆柱表面沿周长方向的细分数量，决定了圆柱的平滑度。

这个循环会遍历每个细分段，并为每一段添加两个三角形来形成一个四边形面片。

添加三角形索引

// 第一组三角形
tris.Add(i * 2);                                // 添加当前细分段左侧顶点
tris.Add(i * 2 + 1);                            // 添加当前细分段右侧顶点
tris.Add(((i + 1) * 2) % (resolution * 2));     // 添加下一细分段左侧顶点

// 第二组三角形
tris.Add(i * 2 + 1);                            // 添加当前细分段右侧顶点
tris.Add(((i + 1) * 2 + 1) % (resolution * 2)); // 添加下一细分段右侧顶点
tris.Add(((i + 1) * 2) % (resolution * 2));     // 添加下一细分段左侧顶点

假设我们有 resolution = 4，即圆柱侧面分为 4 个细分段（此时的圆柱实际上为长方体）。以下是详细的三角形索引生成过程：

细分段 0：
第一组三角形：0, 1, 2
第二组三角形：1, 3, 2
细分段 1：
第一组三角形：2, 3, 4
第二组三角形：3, 5, 4
细分段 2：
第一组三角形：4, 5, 6
第二组三角形：5, 7, 6
细分段 3：
第一组三角形：6, 7, 0
第二组三角形：7, 1, 0

将这个详细过程与生成顶点顺序搭配起来看，就可以明白这个函数是如何在圆柱体侧面通过顶点绘制三角形的了：

（为了防止翻页麻烦我把生成顶点的顺序摆在这里）

第 0 细分段：顶点 0（左）、顶点 1（右）
第 1 细分段：顶点 2（左）、顶点 3（右）
第 2 细分段：顶点 4（左）、顶点 5（右）
第 3 细分段：顶点 6（左）、顶点 7（右）

注意：由于此处不需要渲染出实际的网格，所以这里不讲解生成顶点的顺序问题。如果需要渲染出网格和画面，Unity 的渲染引擎就会使用这些索引来从 mesh.vertices 中提取对应的顶点，并根据这些顶点绘制三角形。每个三角形的顶点顺序决定了其法线方向，从而影响光照效果和正面 / 背面剔除。

创建并配置 Mesh 对象

var mesh = new Mesh();              // 新建 mesh 对象
mesh.vertices = verts.ToArray();    // 将顶点列表赋值给 mesh 对象的 vertices 顶点数组 (vertice - 顶点)
mesh.triangles = tris.ToArray();    // 将三角形面片索引列表赋值给 mesh 对象的 triangles 三角形数组
return mesh;                        // 返回该 mesh 对象

verts 是之前生成的顶点列表，包含了所有圆柱表面的顶点位置。
tris 是刚刚构建的三角形索引列表，指定了哪些顶点应该连接成三角形。
将这两个数组赋值给新的 Mesh 对象。
mesh.triangles = tris.ToArray(); 这一行代码将 tris 列表中的整数数组赋值给 Mesh 对象的 triangles 属性。
Mesh.triangles 定义网格中所有三角形的顶点索引，它规定：每个三角形由三个顶点索引组成，这些索引指向 Mesh.vertices 数组中的具体顶点位置。
当我们将 tris 转换为数组并赋值给 mesh.triangles 时，Unity 的 Mesh 渲染器会按照每三个连续的整数定义一个三角形。

总结

CylinderCaster 类通过接受圆柱体的半径、宽度、圆细分量来构建一个圆柱体形的网格，并且提供方法让外界访问生成圆柱体形网格的每个顶点，以及该圆柱体是否与任意方向任意距离内的物体发生交互。

该类的代码核心在于 GenerateMesh 生成网格方法。该方法通过循环遍历每个细分段，并为每个细分段添加两个三角形索引，最终生成一个完整的圆柱形网格。这种方法高效而且灵活，可以根据不同的 resolution 值生成不同平滑度的圆柱表面。这对于创建逼真的车辆轮胎非常有用，也为 WheelCollider2 类使用该类进行车轮的物理效果仿真提供了基础。

整体代码

变量解释

方法部分

初始化方法 Awake

碰撞检测方法 Cast

初始化几何形状 Init

生成网格方法 GenerateMesh

总结

Everett Rain

初始化方法 `Awake`

碰撞检测方法 `Cast`

初始化几何形状 `Init`

生成网格方法 `GenerateMesh`