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[技术] 直播回顾 | 使用Unity ECS开发《我的世界》

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发表于 2018-9-19 03:42:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
Unity 2018.3 Beta版发布本文将由Unity的技术经理罗志达带领大家回顾9月12日的直播课程-使用UnityECS开发 《我的世界》,了解如何把ECS的编程模式正式引入Unity游戏开发的流程中。

观看本次直播课程:
https://v.qq.com/x/page/d0700z73fls.html

引言
受到了上次Mike Geig大叔的ECS直播课程的启发,我用一场GameJam活动的时间来制作了一个快速呈现ECS强大的简单项目-《我的世界》。

由于时间限制当然没办法还原像是红石系统这类高难度的功能,主要实现挖矿和放石头这二个主要功能,重点在于如何利用ECS生成广大的地形,以及体现ECS所提倡的要点-Performance by Default,在不考虑代码及任何优化的情况下,制作出来的场景还能保有很好的性能。

从Unity 2018开始引入了ECS框架,每一次的版本更新都会加入非常多的新功能,本篇文章是基于ECS(Unity 2018.2.6, Entities 0.0.12)的体验心得。

ECS
为什么ECS的性能会超越GameObject和MonoBehaviour很多呢?

传统方式的内存管理是离散式的,即物体和它的组件(Component)并非在同一个内存区段,每次存取都非常耗时。而ECS会确保所有的组件资料(Component Data)都紧密的连接再一起,这样就能确保存取内存资料时以最快的速度存取。

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这里所提到的传统组件Component和ECS的C,即Component Data虽然名字很像但却是很不同的概念,旧的Component会承载着不同的资料与逻辑功能,不同的Component代表着不同的功能。但在ECS中Component只会存单纯的Data,不会有任何的逻辑运算,所有的逻辑运算必须拆离到S,即System中去实现。

传统的Component为了方便使用,集成了所有可能会用到的变量,不管你是否使用。好处是一个Component可以解决很多事情,例如:Transform,带有Position, Rotation, Scale,透过这些参数很容易对物体处理位置或移动缩放处理。但这些你用不到的变量对于内存来说一点也不友善,尤其时物体数量非常多的时候。

因此ECS把很重要一个概念就是管理只需要的Data即可,例如:我的物体只需要处理渲染和移动,就不需要纪录Scale资料。

2.png


Entity物体
下面谈谈几种方式产生Entity物体。

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可以看到上图中层级窗口中只有一个方块物体,但画面却有3个方块,原因是左边二个是透过ECS生成的Entity物体,会独立显示在Entity Debugger内。虽然目前是分开显示的,但我们最终目的是重新打造一个让开发者接受的一个统一编辑环境。

左边二个Entity物体分别采用二种不同的方式生成,代码如下:

4.png


我先宣告了一个EntityManager管理器Manager,然后在它下面生成了一个Archetype,这种EntityArchetype能确保存放在里面的Component Data都紧密的相连,当一次性产生大量的Entities并给予各种逻辑运算时,这种结构在内存与快取之间的移动性能直逼memcpy。

代码41-49行是基于Archetype结构在里面生成一个Entity并给予座标资料与渲染资料,即指定渲染哪个Mesh和Material。最后这个方块只带有座标Position, 自定义的BlockTag和用来渲染的MeshInstanceRenderer三个Component Data远远比传统的Game object资料少很多。这种生成方式没有连结任何Unity编辑器上的功能,只是单纯的生成Data和处理Data,称为Pure ECS。

代码54-58行负责渲染最左边的方块,为了让开发更直觉,我希望产生Entity时引用一个Prefab,虽然Prefab是传统Game Object,但在实例化成Entity时,Unity会自动把跟ECS无关的Component拆离,只留下Component Data生成Entity物体。这种跟Unity整合的流程,可以称为Hybrid ECS,也是Unity在集成ECS的主要路线。

这个示例还用了一些新的功能例如新的NativeArray和定义像[RuntimeInitializeOnLoadMethod(RuntimeInitializeLoadType.BeforeSceneLoad)]这样的Attributes属性来确保函数能够运行在想要的顺序上。

生成世界地形
为了要让地形能更像Minecraft的生成方式,它必须符合几个要点:无接缝,无限大,乱数地形等。

采用Perlin noise处理这种地形是适合的方法,Perlin noise可以有规则的乱数生成一个波形资料,作为世界的高度资料参考非常适合,我可以先产生一个足够大的高度图然后只用一小部分即可,如果未来要延伸地形只需要继续生成它就会不断延伸下去不会破掉。

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具体把这个高度资料用方块选染出来,如下图所示。

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只留下高度0-6号的方块,感觉世界形状就出现了。

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从代码针对不同高度的Entity给予不同的Material资料,就可以产生《我的世界》,针对高度0的地表,也可以随机生成花草或树木。

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尝试生成了一个没有任何优化处理,17万个方块的《我的世界》还能保持在40帧以上。

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生成物理地表
由于Unity ECS尚未支持物理系统,因此目前要实现物理要自己写碰撞逻辑,或是沿用旧的Collider来检测碰撞。

作为一个Gamejam项目,自己写是不太现实的,因此我决定采用最简单的方法,每个Entity方块都加上一个Collider,一方面可以作为地板一方面也可以检测挖掘和放置方块。

这是一个全部方块的座标同时都加放一个Collider物体的地形,除了第1帧稍微耗时之外,运行时并没有带来太多的消耗。

10.png


处理方块
有了地形就可以放上大家熟悉的FPS Character第一人称角色,继续处理方块的挖掘和放置。

制作放置方块比挖掘方块比较简单,我从摄像头发射一个Raycast,打到任何Collider就依照当下Normal的方向生成一个Collider与一个Entity物体,并依照选择的纹理指定给该Entity带有的MeshInstanceRenderer内的Material即可。代码如下:

11.png


但是挖掘方块就没那么容易了,主要是因为当前的Entities版本尚未支持物理系统,因此定位场景内众多物体中某一个Entity是有困难的,相信未来这不会是个问题,但现在我必须写很多代码来实现支持ECS的Raycast,因此我采用另外的思维来实现。

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我在Raycast打到的Collider同样的座标生成一个只带有一个DestroyTag的Entity物体,它除了座标之外没有任何渲染资料,我就可以用System来检测移除同座标的方块。同时我也先移除了这个Collider。

我们已经聊了很多关于ECS里面的E(Entity)和C(Component Data),但一直没有提到S(System),现在我们要写一个System来处理删除方块的系统。但在之前我想讨论这个S和传统的有什么不同。

传统的脚本你必须要放到场景内才会随着物体的Update, FixUpdate或OnCollisionEnter各种方法来运行,但ECS的System是不分场景的,项目内所有的场景只要带有Entity物体System都会有反应,因此不需要特别把System脚本放入场景物体内。

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这样做的好处就是所有的相关系统都可以一个脚本解决,而不是每个物体有各自的Update方法处理,从而造成物体数量一大就会影响性能。

System不在乎你是一颗子弹或是一只怪物或是一个角色,只要符合System过滤条件,它都会执行System内的逻辑。

于是我写了一个Destroy System用来检测那些Entity必须要删除。

14.png


System有二个主要的结构,一个是13-38行代码的Query,我分别查询哪些Entity带有BlockTag和Position,哪些带有DestroyTag和哪些是地表的花草,然后在OnUpdate内比对哪些是需要删除的Entity方块,并检查上方是否带有花草需要一并移除。

因此这里总共需要移除的物体有四个:该位置的Entity方块、作为检测的Entity物体、地上的花草和BoxCollider物体。

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System的OnUpdate也是每帧运行的,现在我们可以从Entity Debugger内看到每个系统的耗时,虽说System是全项目运行的,但未来你也可以透过API在不同的场景开关这些System。

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小结
以上是直播课程使用Unity ECS开发《我的世界》分享重点内容,更详细的内容,可以直接观看本次直播的视频,从而温故而知新。对于ECS想要更了解基本规则,建议访问Unity Connect平台,观看Mike大叔的课程视频:
https://connect.unity.com/p/2018 ... i-bo-lu-bo-hui-zong

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