Unity基础课程之物理引擎5-射线的使用方法总结

在实际游戏开发时，不可避免地要用到各种射线检测。即便是一个不怎么用到物理系统的游戏，也很可能要用到射线检测机制。换句话说，射线检测在现代游戏开发中应用得非常广泛，超越了物理游戏的范围。下面简单举几个例子。

（1）游戏中有单击地面的操作，因此要发射射线以确定是否点中了可单击区域和单击位置的坐标。

（2）在判定子弹或技能是否击中目标时，如果采用碰撞体需要考虑子弹速度，且存在穿透问题，而射线是没有速度的（瞬时发生），不仅易于使用，而且综合效率更高。

（3）在3D动作游戏或2D动作游戏中，判断玩家是否落地时，可以向角色脚下发射射线；判断玩家是否接触墙壁时，可以往左右两侧发射射线；判断玩家是否需要低头时，可以往头顶发射射线；判断玩家是否需要攀爬时，同样也可以采用射线检测的方法。

（4）因为射线与视线一样会被障碍物阻挡，所以在游戏AI设计中，可以用射线模拟AI角色的视线

注意，上所述的各种射线检测都是以物理系统为基础的。射线需要与碰撞体和触发器配合才能发挥出作用

下面来介绍一下射线编程方法。常用的直线型射线用类型Ray表示。Ray包含了origin（起点）和direction（方向）的定义，起点和方向都用Vector3类型表示，前者是一个坐标，后者是一个表示方向的向量。有很多方法可以在游戏世界中发射一条射线，最常用的方法是Physics.Raycast()和Physics.RaycastAll()。由于实践中有各式各样的具体应用场景，因此Physics.Raycast()方法的重载有10种以上，不过实际大同小异，例如以下3种。

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction);

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance);

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance, int layerMask);

以上3个函数共同的参数都是发射点坐标和方向向量，返回值都是是否击中了某个碰撞体或触发器。第3个参数maxDistance的作用是指定射线的最大长度。虽然名字叫作“射线”，但与几何中的射线不同，这里的“射线”更多是“发射”的意思。例如游戏中经常通过往角色脚下发射很短的射线（0.01，代表1厘米）来判断角色是否站在地上。除了指定方向和位置的射线以外，以下还有一类很常用的重载形式。

bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo);

bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance);

bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, int layerMask);

这种形式的射线检测用了一种常用结构体Ray（射线），它只是将射线数据对象先单独创建出来，并没有实际区别。Ray对象有多种创建方法，例如以下方法。

//  创建从原点向上的射线
Ray ray = new Ray(Vector3.zero, Vector3.up);

//  获得当前鼠标指针在屏幕上的位置（单位是像素）
Vector2 mousePos = Input.mousePosition;
//  创建一条射线，起点是摄像机位置，方向指向鼠标指针所在的点（隐含了从屏幕到世界的坐标转换）
Ray ray2 = Camera.main.ScreenPointToRay(mousePos);

//  之后可以将ray或ray2发射出去，例如：
Physics.Raycast(ray, 10000, LayerMask.GetMask("Default"));

这些重载形式的第2个参数，即类型为RaycastHit的参数hitInfo也很有用，它保存着详细的碰撞信息，如碰撞点的配置、法线等。碰撞信息会在第3.2.6小节重点详细讲解。

3.2.5 层和层遮罩

很多时候，需要射线仅被某些物体阻挡，例如希望检测地面的射线只检测地面，而不要检测其他东西，也就是说应当穿过地面以外的东西。那么这里就要用到Layer和Layer Mask（层遮罩）的概念了。“层”的概念让物理系统变得更加好用和实用。例如一条子弹射线，仅让它碰到Ground（地面）、Player（玩家角色）和Obstacle（障碍物）这3个层，而不会和其他层的物体碰撞，其编写代码如下。

int mask = LayerMask.GetMask("Ground", "Player", "Obstacle");
if (Physics.Raycast(transform.position, Vector3.forward, mask))
{
    // 碰到了物体
}

某些读者可能会很好奇，“与某3层碰撞”这一条件竟然用一个int就能表示。这其实是一种二进制的妙用，用一个int最多可以表示32个层的遮罩，Layer和Tag最多也只有32个，这不是巧合。如果让mask表示这3层以外的所有层，则用一个二进制的取反运算即可，其方法如下。

mask = ~mask; // 英文波浪线，代表二进制取反

有时需要改变物体所在的层，如将一个物体设置在Default层上，其方法如下。

gameObject.layer = LayerMask.NameToLayer("Default");

可以通过函数LayerMask.NameToLayer()将层名称转化为整数表示的层，也可以用函数LayerMask.LayerToName()将表示层的整数转化为层名字。

3.2.6 射线编程详解

1. 射线碰撞信息

前文举例的函数的返回值仅仅是“是否碰到了物体”，而无法确定碰撞点是哪里，也不知道碰到的物体是哪一个。射线检测其实有着丰富的碰撞信息，如可以获取到碰撞点坐标、被碰撞物体的所有信息，甚至可以获取到碰撞点的法线（碰撞点所在物体平面的朝向）。这些丰富的碰撞信息，都被保存在RaycastHit结构体中。例如，以下几个Raycast()函数的重载可以获取到碰撞信息。

bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float 
maxDistance);
bool Raycast(Vector3 origin, Vector3 direction, out RaycastHit hitInfo, float 
maxDistance, int layerMask);
bool Raycast(Ray ray, out RaycastHit hitInfo, float maxDistance, int layerMask);

    private void TestRay()
    {
        // 声明变量，用于保存碰撞信息
        RaycastHit hitInfo;
        // 发射射线，起点是当前物体的位置，方向是世界前方
        if (Physics.Raycast(transform.position, Vector3.forward, out hitInfo))
        {
            //  如果确实碰到物体，会运行到这里。没碰到物体就不会

            //  获取碰撞点的坐标（世界坐标）
            Vector3 point = hitInfo.point;
            //  获取对方的碰撞体组件
            Collider coll = hitInfo.collider;
            //  获取对方的Transform组件
            Transform trans = hitInfo.transform;
            //  获取对方的物体名称
            string name = coll.gameObject.name;

            //  获取碰撞点的法线向量
            Vector3 normal = hitInfo.normal;
        }

以上例子基本涵盖了能从hitInfo中获取到的信息，更多碰撞信息可以查阅Raycastlift结构体的定义。

2. 其他形状的射线

射线不仅可以有长度，还可以有粗细和形状。除了前面所提到的直线射线，还有球形射线、盒子射线和胶囊体射线，如图3-7所示。

图3-7 3种形状的射线示意图

与发射射线类似，各种形状的射线也有很多种函数重载，以下是几种常用的重载形式。

//  球形射线：
bool SphereCast(Ray ray, float radius);
bool SphereCast(Ray ray, float radius, out RaycastHit hitInfo);

//  盒子射线：
bool BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction);
bool BoxCast(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Vector3 direction, out 
RaycastHit hitInfo, Quaternion orientation);

//  胶囊体射线：
bool CapsuleCast(Vector3 point1, Vector3 point2, float radius, Vector3 direction);
bool CapsuleCast(Vector3 point1, Vector3 point2, float radius, Vector3 direction, 
out RaycastHit hitInfo, float maxDistance);

可以看出，球形射线、盒子射线和胶囊体射线的发射函数与直线型射线是类似的。区别在于，球形射线需要指定球的半径；

盒子射线需要指定盒子的中心点和盒子的半边长（边长的一半），如果有必要再加上盒子的朝向；胶囊体的形状更为复杂，需要用point1、point2和radius（半径）这3个参数指定胶囊体的起点和形状。

在实践中有各种不同的需求和情况，在必要时可以进一步查阅相关资料，并对参数的用法做实际的试验。本小节的最后还会介绍射线调试的一些技巧。

3. 穿过多个物体的射线

有时需要射线在遇到第一个物体时不停止，继续前进，最终穿过多个物体。使用Physics.RaycastAll()函数可以获取到射线沿途碰到的所有碰撞信息，该函数的返回值是RaycastHit数组。

RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray, float maxDistance);
RaycastHit[] RaycastAll(Vector3 origin, Vector3 direction, float maxDistance);
RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray, float maxDistance, int layerMask);
RaycastHit[] RaycastAll(Ray ray);

同样，也有球形穿越射线、盒子穿越射线和胶囊体穿越射线，函数名称分别为SpherecastAll、BoxcastAll和CapsulecastAll。

4. 区域覆盖型射线（Overlap）

有时需要检测一个空间范围，例如炸弹爆炸时，范围10米之内的物体都会受到波及，那么这里需要的就不是一条射线，而是一个半径为10米的球形区域。物理系统也提供了这类函数，它们均以Physics.Overlap开头，列举如下。

Collider[] OverlapBox(Vector3 center, Vector3 halfExtents, Quaternion 
orientation, int layerMask);
Collider[] OverlapCapsule(Vector3 point0, Vector3 point1, float radius, int 
layerMask);
Collider[] OverlapSphere(Vector3 position, float radius, int layerMask);

以球形覆盖检测OverlapSphere()为例，调用该函数时，会返回原点为position、半径为radius的球体内，满足一定条件的碰撞体集合（以数组表示），而这个球体称为“3D相交球”。

5. 射线调试技巧

射线检测函数类型多、重载多、参数多，可能会让读者看得一头雾水。在实际游戏开发中，虽然这些参数不容易填写正确，但也有很好的方法可以提高编程的效率。这个方法就是使用Debug.DrawLine()函数和Debug.DrawRay()函数，将看不见的射线以可视化的形式表现出来，方便查看参数是否正确。Debug.DrawLine()函数和Debug.DrawRay()函数的常用形式如下。

void DrawLine(Vector3 start, Vector3 end, Color color);
void DrawLine(Vector3 start, Vector3 end, Color color, float duration);

void DrawRay(Vector3 start, Vector3 dir, Color color);
void DrawRay(Vector3 start, Vector3 dir, Color color, float duration);

Debug.DrawLine()函数通过指定线段的起点、终点和颜色（默认红色），绘制一条线段；

Debug.DrawRay函数则是通过指定起点和方向向量，绘制一条射线。

两者的用法是相似的。使用时要注意，发射射线时，参数通常为起点、方向向量和长度，而DrawLine()方法用的是起点和终点。应正确使用向量加法，避免看到的线条与实际射线不一致。下面举个例子以供读者参考。

//  以一个简单的射线为例
Raycast(起点, 方向向量, 长度);

//  对应的可视化线条
DrawLine(起点, 起点+方向向量.normalized * 长度, Color.red);
//  其中nomalized是将向量标准化，即方向不变长度变为1

需要说明的是，这种绘制方法仅在开发期生效，不会出现在最终的游戏发布版中。在默认情况下，该辅助线仅在编辑器的场景窗口中可见。

如果要在Game窗口中看到它，则需要单击Game窗口右上角的Gizmos（辅助线框）按钮，而且无论怎么设置，它都不会出现在最终的游戏发布版中。

以上函数的最后一个参数，即持续时间（duration）可以省略，省略后这条参考线只出现一帧。如果在代码中每帧都绘制线条，那么就可以省略该参数。如果这个线条只出现一帧且看不清，则可以填写一个较大的持续时间（单位是秒），让射线停留在屏幕上方以便查看。

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