虚幻引擎中的角色移动组件运动机制详解（一）

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CharacterMovementComponent(简称CMC)是Unreal Engine中角色移动的核心组件，它负责处理角色的各种运动状态和移动的物理交互。

本文将主要解析UCharacterMovementComponent::PerformMovement()函数，主要关注于各种运动来源间的协作方式。

一、CMC运动的基本组成

角色的最终运动是由多个来源共同作用的结果：

  1. 玩家输入 - 通过控制器常规接口提供的方向和速度
  2. 物理交互 - 重力、摩擦力、碰撞等物理作用
  3. 根运动动画 - 由动画资产提供的预定义运动
  4. 根运动源 - 程序化生成的各类运动力
  5. 移动模式特定逻辑 - 行走、飞行、游泳等不同模式的处理逻辑

二、PerformMovement详细流程图

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flowchart TD
    A[开始PerformMovement] --> B{有效数据检查}
    B -- 无效数据 --> C[清理根运动/结束]
    B -- 有效数据 --> D[初始化与检查]
    D --> E[保存初始状态\nOldVelocity & OldLocation]
    E --> F[应用累积力\nApplyAccumulatedForces]
    F --> G[更新移动前角色状态]
    G --> H[处理待定发射\nHandlePendingLaunch]

    %% 追踪外部速度变化
    H --> I{HasAdditiveVelocity?}
    I -- 是 --> J[记录速度调整\nLastPreAdditive\nVelocity += Adjustment]
    I -- 否 --> K{有根运动源?}
    J --> K

    %% 准备根运动
    K -- 是 --> L[准备动画根运动\nTickCharacterPose]
    K -- 否 --> Q
    L --> M[准备非动画根运动源\nPrepareRootMotion]

    %% 应用根运动到速度
    M --> N{HasOverrideVelocity\n或HasAnimRootMotion?}
    N -- 是 --> O{HasAnimRootMotion?}
    N -- 否 --> Q

    %% 动画根运动处理
    O -- 是 --> P1[转换为世界空间\nConvertLocalRootMotionToWorld]
    P1 --> P2[计算根运动速度\nCalcAnimRootMotionVelocity]
    P2 --> P3[覆盖当前速度\nVelocity = ConstrainAnim...]
    P3 --> P4{IsFalling?}
    P4 -- 是 --> P5[添加水平基础速度]
    P4 -- 否 --> Q
    P5 --> Q

    %% 非动画根运动处理
    O -- 否 --> O1[保存当前速度\nNewVelocity = Velocity]
    O1 --> O2[应用根运动源速度\nAccumulateOverride...]
    O2 --> O3{IsFalling?}
    O3 -- 是 --> O4[添加基础速度]
    O3 -- 否 --> O5[Velocity = NewVelocity]
    O4 --> O5
    O5 --> Q

    %% 执行移动和后续处理
    Q[执行实际移动\nStartNewPhysics] --> R[更新移动后角色状态]
    R --> S{允许物理旋转?}
    S -- 是 --> T[应用物理旋转]
    S -- 否 --> U{HasAnimRootMotion?}
    T --> U

    %% 应用根运动旋转
    U -- 是 --> V1[应用动画根运动旋转]
    U -- 否 --> V2{HasActiveRootMotionSources?}
    V1 --> W[收尾工作与状态更新]
    V2 -- 是 --> V3[应用根运动源旋转]
    V2 -- 否 --> W
    V3 --> W

    W --> X[结束PerformMovement]

三、运动计算流程详解

初始化与状态保存

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void UCharacterMovementComponent::PerformMovement(float DeltaSeconds)
{
    // 有效性检查
    if (!HasValidData() || DeltaSeconds <= 0.f)
    {
        return;
    }

    // 保存初始状态
    FVector OldVelocity = Velocity;
    FVector OldLocation = UpdatedComponent->GetComponentLocation();

    // Scoped updates can improve performance of multiple MoveComponent calls.
    {
        FScopedCapsuleMovementUpdate ScopedMovementUpdate(UpdatedComponent, bEnableScopedMovementUpdates);

        // ... 后续逻辑 ...
    }
}

这个阶段有几个关键点：

  • 状态保存：记录移动前的速度和位置，为后续计算和可能的回滚做准备
  • 性能优化：使用FScopedCapsuleMovementUpdate创建作用域更新，优化多次移动组件调用

基础移动更新与根运动源清理

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// 处理基于物体的移动(如站在移动平台上)
MaybeUpdateBasedMovement(DeltaSeconds);

// 清理无效根运动源
const bool bHasRootMotionSources = HasRootMotionSources();
if (bHasRootMotionSources && !CharacterOwner->bClientUpdating && !CharacterOwner->bServerMoveIgnoreRootMotion)
{
    const FVector VelocityBeforeCleanup = Velocity;
    CurrentRootMotion.CleanUpInvalidRootMotion(DeltaSeconds, *CharacterOwner, *this);

    // 调试代码省略...
}

这段代码符合了两个重要机制：

  1. 基础移动处理：

    • 当角色站在移动物体上时，需要继承该物体的运动
    • MaybeUpdateBasedMovement确保角色跟随其基础物体运动

  2. 根运动源生命周期管理：

    • 系统会清理无效或自然结束的根运动源
    • 这些源在结束时可能会修改速度(通过限制或覆写)
    • 清理操作的时机精心设计，在应用累积力和处理待定发射之前，以确保根运动源的结束行为不会被覆盖

应用累积力和更新移动前状态

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// 应用累积的力
ApplyAccumulatedForces(DeltaSeconds);

// 更新角色状态
UpdateCharacterStateBeforeMovement(DeltaSeconds);

// 处理待定的发射(如跳跃等突发力)
HandlePendingLaunch();

这个阶段处理各种力的影响：

  • 累积力：来自推力、冲击等外部施加的力
  • 角色状态更新：更新基于当前状态的角色属性
  • 待定发射：处理如跳跃等需要立即应用的突发力

跟踪外部速度变化

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// Update saved LastPreAdditiveVelocity with any external changes to character Velocity that happened since last update.
if (CurrentRootMotion.HasAdditiveVelocity())
{
    const FVector Adjustment = (Velocity - LastUpdateVelocity);
    CurrentRootMotion.LastPreAdditiveVelocity += Adjustment;

    // 调试代码省略...
}

这段代码处理的是一个高级特性：外部速度变化适应。它解决了一个重要问题：

  • 问题：当其他系统(如物理碰撞)修改了角色速度，添加型根运动源需要知道这些变化
  • 解决方案：计算上次更新后发生的外部速度调整，并相应更新基准速度
  • 目的：确保添加型根运动源能够在复杂情况下(如碰撞后)正确应用，避免不合理的行为(如穿墙)

准备和应用根运动

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// 准备动画根运动
if (CharacterOwner->IsPlayingRootMotion() && CharacterOwner->GetMesh() && 
    CharacterOwner->GetMesh()->IsComponentTickEnabled())
{
    TickCharacterPose(DeltaSeconds);
    // 提取根运动数据...
}

// 准备非动画根运动源
if ((bHasRootMotionSources || CharacterOwner->IsPlayingRootMotion()) && 
    !CharacterOwner->bServerMoveIgnoreRootMotion)
{
    CurrentRootMotion.PrepareRootMotion(DeltaSeconds, *CharacterOwner, *this, true);
}

// 应用根运动到速度
if (CurrentRootMotion.HasOverrideVelocity() || HasAnimRootMotion())
{
    // 动画根运动处理
    if (HasAnimRootMotion())
    {
        // 复杂的动画根运动处理逻辑...
    }
    // 非动画根运动处理
    else
    {
        FVector VelocityOverride = Velocity;
        CurrentRootMotion.AccumulateOverrideRootMotionVelocity(DeltaSeconds, *CharacterOwner, *this, VelocityOverride);
        Velocity = VelocityOverride;
    }
}

这个阶段展示了根运动处理的核心逻辑：

  1. 准备阶段：

    • 对于动画根运动，需要先更新骨骼姿势(TickCharacterPose)
    • 对于根运动源，调用PrepareRootMotion准备根运动数据

  2. 应用逻辑：

    • 优先级：动画根运动 > 非动画根运动源
    • 动画根运动有特殊处理，包括世界空间转换和限制
    • 非动画根运动源使用累积机制，根据优先级和累积模式应用

  3. 速度覆写机制：

    • 覆盖型根运动直接覆写速度
    • 叠加型根运动在原有速度基础上添加影响
    • 特殊处理坠落状态时的速度合成

执行移动状态的物理逻辑

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// 执行实际的物理移动
StartNewPhysics(DeltaSeconds, 0);

// 更新移动后状态
UpdateCharacterStateAfterMovement(DeltaSeconds);

这是物理模拟的核心，根据当前移动模式执行相应计算：

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void UCharacterMovementComponent::StartNewPhysics(float DeltaTime, int32 Iterations)
{
    switch (MovementMode)
    {
        case MOVE_Walking:
            PhysWalking(DeltaTime, Iterations);
            break;
        case MOVE_Falling:
            PhysFalling(DeltaTime, Iterations);
            break;
        // 其他移动模式...
    }
}

每种移动模式都有专门的物理处理逻辑：

  • 行走模式：处理地面行走、斜坡、台阶等
  • 坠落模式：应用重力、空气阻力和空中控制
  • 游泳模式：计算浮力和水中运动
  • 飞行模式：处理自由空间中的运动

在每种移动模式下，都会做出特别的处理应实现符合人类直觉的移动方式。这里暂且不展开讨论

应用旋转和收尾工作

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// 应用物理旋转
if (bAllowPhysicsRotationDuringAnimRootMotion || !HasAnimRootMotion())
{
    PhysicsRotation(DeltaSeconds);
}

// 应用动画根运动的旋转
if (HasAnimRootMotion())
{
    // 应用动画根运动旋转...
}
// 应用根运动源的旋转
else if (CurrentRootMotion.HasActiveRootMotionSources())
{
    FQuat RootMotionRotation;
    if (CurrentRootMotion.GetOverrideRootMotionRotation(DeltaSeconds, *CharacterOwner, *this, RootMotionRotation))
    {
        // 应用根运动源旋转...
    }
}

// 收尾工作
OnMovementUpdated(DeltaSeconds, OldLocation, OldVelocity);

最后阶段完成角色旋转和系统清理：

  • 旋转处理：根据当前状态应用相应的旋转源
  • 优先级：动画根运动旋转 > 根运动源旋转 > 物理旋转
  • 移动完成通知：触发回调，通知其他系统移动已完成

四、根运动源系统

根运动源系统允许程序化地控制角色移动，是动画根运动的补充。

根运动源类型

CMC支持多种类型的根运动源：

  • ConstantForce: 施加恒定力
  • RadialForce: 从一点向外或向内施加力
  • MoveToForce: 将角色移动到指定位置
  • MoveToDynamicForce: 将角色移动到动态变化的位置
  • JumpForce: 模拟跳跃行为的力

添加根运动源

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uint16 FRootMotionSourceGroup::ApplyRootMotionSource(TSharedPtr<FRootMotionSource> SourcePtr)
{
    // 分配唯一ID
    uint16 NewID = GetNextLocalID();
    SourcePtr->LocalID = NewID;

    // 添加到待处理列表
    PendingAddRootMotionSources.Add(SourcePtr);

    return NewID;
}

根运动源参数

每个根运动源都可以配置多个参数：

  • 优先级: 决定源之间的优先顺序
  • 累积模式: 覆盖或叠加
  • 持续时间: 根运动应用的时长
  • 强度: 力的强度或运动速度
  • 结束速度设置: 根运动结束时的速度处理方式

根运动优先级排序

CMC严格遵循特定的优先级规则处理多个运动来源：

  1. 动画根运动: 最高优先级
  2. 高优先级覆盖型根运动源
  3. 低优先级覆盖型根运动源
  4. 叠加型根运动源: 按优先级顺序叠加
  5. 常规移动计算: 最低优先级

结语

CharacterMovementComponent的PerformMovement流程展示了Unreal Engine如何处理复杂的角色移动逻辑，特别是根运动的应用。

通过理解这一流程，可以更好地利用和拓展CMC的功能，实现统一且自然的角色移动效果。