GDC2016【彩虹六号-围攻】的物理破坏艺术

发表于2016-06-03

翻译 TraceYang 校对 Qiankanglai

The Art of Destructionin Rainbow Six: Siege

Julien L’Heureux

Technical Lead /Physics Programmer

Ubisoft Montreal

进行演讲的是Ubisoft Montreal的Julien L'Heureux

前言

首先JulienL'Heureux解释了什么是程序化的破坏（Procedural Destruction），最大的不同是，程序化方式的物体对象是在运行时改变生成破碎状态的，有不同的输入和输出，可以得到独一无二的结果。而与之对立的预生成破坏的方式，它的输出非常的固定，破坏的切面通常是相同的，就像一个表面不管是被车撞，还是被棒球棒击打或者子弹击穿，随出来的结果都是一样的。

程序化破碎可以更丰富的破碎输入和输出结果

UBI的程序化破碎的研究开发是从2012年开始的，当时实现的是彩虹六号的程序化玻璃破碎功能。

接下来演示的是程序化玻璃破坏实现原型的视频，和当时比已经不同，有了很大的变化。 L'Heureux他们动态的创建了正确表现效果的几何体，然后通过贴花来改变法线，大概是4年多以前完成的。这是项目的一个转折点，大家觉得这个效果非常赞，所以我们对其他材质也做了相同处理，发现我们能在游戏里做真实的破坏效果。

Heureux他们准备了一些美术资源，在2013年完成了概念技术Demo，非常的Cool，是以蒙特利尔工作室为原型制作的。

接下来演示的是概念技术的演示，可以说内部花了很长一段时间制作的破坏系统的标准，有很多员工参与，可以说在三年前就是非常好的效果了。下面视频里有子弹和场景的交互。

可以打碎墙面，窗户，地板，天花板，并引发大量的爆炸。就如所看到的一样，是非常帅气的效果。但那时还无法在60FPS的情况下线上运行，又没有工具，所以花了大量的工作来实现这些特性。这样可以从一个非常清晰的起点开始构思。可以射击来破坏物体，让这些惊人的效果更加正确。

到了2015年，彩虹六号发售并获得了成功，而它的概念是至少是三年前的， L'Heureux他们经过了很多的步骤才让它可以工作起来的。这样这也就是他接下来所主要介绍的内容。

演讲概述

首先是RealBlast在产品中的作用，然后是第二部分彩虹六号中破坏的制作，在第三部分你可以从中了解到所关心的破坏解决方案，以及它是如何与游戏交互的，还有就是各种破坏的生成。最后会讨论游戏中大量生成破坏方面的性能。

RealBlast 预览

REALBLAST是一个全部由程序员组成的很小的团队，而且已经成立了5年以上了。属于是L’Heureux所来自的技术团队的一部分。Alexander Ouimet是他非常敬仰的一名同事，发表了很多的文章，L'Heureux也是跟他一起工作的。

而UBISOFT的技术小组在内部是一个独立的部门，进行研发，通用技术的研究，并分享给不同的产品。由精通破坏，导航网格，UI，网络，动画等各不同领域的专家组成。每个人都有专业知识，通常被委托在不同的产品上，以作出更大更好的游戏。

REALBLAST提供了完整的破坏解决方案，包括在集成在引擎内的破坏功能，同时也提供了一些碎片工具，可以用上生成美术内容。还有就是破坏属性编辑器，可以设置要使用哪类的物理，使用多大的物理属性，以及一个外部的调试器可以追踪所有的数据。或许你会觉得调试复杂的几何体算法是一件很复杂的事情，特别是当看不到具体信息的调适，特别让人少脑筋，但L'Heureux这里并没有展开这个话题

合作方面，L'Heureux前面也提到，他们是被多个委托到多个产品的。使用REALBLAST的第一个产品，是【刺客信条：黑旗】，用来表现船体的破损。而真正作为核心特性使用的是在本作彩虹六号中。

、

彩虹六号：围攻中的破坏系统

游戏中的任务非常的简单，下图中攻击者一方是想要进入解救人质，也就是意味着要进行破坏才能进入。而另外一方的防守方，是要阻挡入侵者的进入，（funnel这个没听懂）。

在游戏中，是把破坏作为玩法上的一种有利条件，你可以通过破坏来制作玩家可以走过的道路，制造地形优势杀人或者穿过墙壁。而防守方可以通过隐藏钥匙，加固墙壁。这给予了玩家更多的玩法，而且每个策略都有很大的不同。

玩家在游戏中的体验时，可破坏的环境制作的相当的好，例如活板门，可以控制特定的楼层。路障不会阻挡进入，但是主要是会遮挡视线，Line of Sight 是指就是破坏之后玩家还是走不过不去，玩家只能在视觉上透过。

使用破坏系统虽然听起来很容易，但在3年前并没有那么简单。现在是这需要付出很大的代价，因为要为玩家表现连贯的物理破坏环境，其中包括模型的“破坏准备阶段”，要比原来的模型准备更多的细节，因为以前很多地方是看不到的，但是摧毁之后能看到的区域。最终需要创建以前从没见过的大量的破坏表现。这么大量的工作实现起来是非常困难的。所以需要一种合适的方法使项目在物理上是可行的。

首先，需要美术方面的培训，因为通常有些地方需要物理，有些地方不需要，要修改模型的风格。而最大的改变是游戏设计师，要用虚拟语言来控制破碎，同时也要用新的变量来完成一些新的表现。最后的性能方面，需要更多的物理，更多动态对象要渲染，而且运行时生成破碎也不是无偿的，

现在既然决定要做破坏系统，那么接下来的问题就是，这个破坏系统实际与其他游戏中的系统如何交互，L'Heureux他们用了非常简单的方式实现。

‘

用游戏里的物理输入来驱动破坏，可以把破坏系统想象成是一个黑盒，通过它输出信息并反馈回到游戏里。输出的信息是一个结构，包含了相关系统工作所需要的信息。通过这些信息可以了解到是什么被破坏，使用了什么样的武器，哪个部位等各种细节。你可以从中获取信息提供声音，特效，AI等等。

例如像AINavigation，可以动态导航链接， AI可以打碎墙壁或钻洞，而不是被卡住等待门的打开等等。

有了足够的信息，可以把它用在任何的事物上，比如AI的能见度上，不需要做那种在各个方向上投射视线的检测的无用功，也不用把AI制作的太智能。同样也在声音的传播中也有使用，这个是在彩虹六号里非常重要的游戏特性。当你破坏一堵墙壁时，也会改变环境的声音。玩家非常依赖这方面提供的信息来进行游戏。

通常各种玩法需要不同的行为，譬如有些东西你希望一定被破坏而不是有概率、或者是程序化破坏(你需要输入参数)。需要强调的是我们做的是游戏，而不是tech demo

RealBlast 技术

接下来讨论更多关于RealBlast的技术，虽然是在高层次上的，但在破坏的技术上，有很大的不同和相同点。但总的来说，预先定义模型非常简单

其实，基本的概念是很简单的。把物体用稍微不同的部件做成，或者是分解一个物体对象。也要符合常识，譬如不能做一棵玻璃树。所以的都是用不同的部件来组成，要更加致力于物理材质上的调整，因为每个物件都是由不同部件组成，很容易破碎，所以制作时要更有物理的感觉。这个其实就是一个层次化的东西，反正就是建好东西之后一层层碎开来。

当一些物体破碎，你要把它分成多个部件，而开始的第一步，实际是要维持它们的状态，因为要考虑我们接下来处理所引发的渲染和物理的性能问题。

在获取了一些破坏模型（Destruction Model）后，可以模拟物体对象的状态，要做的工作非常的简单，树中不同的碎片代表图表中不同的节点，图表中的每一条边是碎片的物理关联。在完成了这个步骤后，就获得一个正确的图表，如果你很好的理解了这个图的含义，你就可以用网络流算法max flow/min cut来获得一些有趣的性质。

通过图表可以来维护物体对象，它的关联被打破后，意味着物体不能在被碰触了。相互之间不再产生联系。

可以把程序化破坏集成到某些模型里，基于拓扑结构，叶节点可以标记为可程序化破坏的。外观和碰撞可以改变，也可以移动一个碎片并用新的来替换。这样对那些有完整标记的模型来说，效果很好

接下来讨论的是物体表面的程序化破坏。

这个功能一开始是为了玻璃的游戏表现，限制在平面一类的物体上，（墙壁啥的。。）。最大优点是可以在任意地方切割。可以帮助美术师很方便的设置模型，或使用2D样板来生成新的模型。总的来说，这种方法很稳健，快速，实现起来也不是很难，相当的简单。

那么实际上是如何做的呢？首先第一步是，是要一个像平面一样的2D物体对象，（ProjectionBasis）。

接下来，从游戏中获取输入，与材质的参数输入一起来破碎的Cutter。生成2D的pattern，然后映射回3D。

然后把新的2D多边形与做为Cutter多边形相交，可以用一些经典算法，其实和3D没啥关系，例如使用Weiler Athertion 这种非常简单的概念，可以生成相当复杂的多边形。然后处理uv，顶点，物理属性等等。

三角形化（Triangulation）的解决方案，譬如Delaunay，是最经典的。最后使用的是Ear Clipping的方法，虽然不是最优的算法，但更加健壮，也不适用于所有的情况，但可以成功的处理墙壁上简单的小的洞孔。

在完成三角形化后，变回到3D空间是一件非常简单的事情，要使用Projection Basis把2D表面Extrude为3D的模型

然后讨论的是Cutter，有很多种不同的Cutter，但是总的来说这些就是一个大的家族里的，通过定义边界来定义形状，一些通过定义内部的分块，，有些用来定义内部的破碎（结合了前面两种）

还有就是制作一些Texture Cutter来使用，是非常漂亮的概念，美术师或者画家可以，精确的在UV空间画他要的效果，或者是复用连续的表面，并平铺到surface上。一旦从游戏中获取到了输入，就可以查找到破坏的UV空间的位置。这些很有意思而且注重细节，但艺术家不会手动去做这个

那么，下面获得了类似下图的结果。（程序员的美术水准？）没听懂，确实是缺少了一些东西

这就需要改善视觉外观。在场景里射击的话，通常是使用贴花（Decal）来制作。 L'Heureux他们要找到更好的解决方案，也就是使用Decoration来制作真正完整的几何体。贴花（Decal）虽然也像是物体表面（Surface）一样，但也只是是2D的。Decoration可以用来表现物体对象的内部透明，可以设置在物体的顶端和背后。所以说，Decoration是非常灵活的，可以实际的管理和处理物体对象的生命时间，即便是被切割成了多个部分仍然可以维持，管理起来非常简单。

但缺点是要有更多的消耗，比如CPU，渲染和内存。而好处是美术可以像普通的离线方式那样的来工作。美术还是习惯用贴花，所以会麻烦一些。

这里有两种基本类型的Decoration，其中一种类似贴花，是贴在物体表面的，可以沿着表面进行切割。

还有就是Feature-Bound的Decoration，是在顶点和边上，所以可以放置在孔洞里或是它的边缘位置。一旦Attach的Feature去掉就把它们移除掉，算是一种实现从平面挤出效果的好的方法。也就是平面里的破碎用Cutter(类似贴花)，然后外面用FeatureBound，最后再组合起来。

最后处理结果就是下图这样，虽然还是程序员的艺术，但看起和所期待的一样。维持了它的真实感觉。

下图就是游戏中的实践结果。

然后是破坏系统的性能。我们需要成功的在PVP模式以60FPS来运行，即使没有破碎系统这个也挺有挑战的，特别是破碎系统还会作用在别的子系统里。

破坏系统会影响到其他的系统，例如AI，AI导航，声音传播等，这需要更多的努力来达到这个目标。渲染部分的话，只有很少一部分用于静态光照，更多的用于动态的阴影。还有少量的occluder，因为墙壁可能在任何时候被打破，你可以透过墙壁看到更多的物体，因为需要看到更多的物体，因为墙会在任意时刻被破碎掉。因为这个主题有些复杂，如果有兴趣的话，可以看下后面Jalal的在GDC2016的分享“RenderingRainbow Six: Siege”。

如果你破坏了一些物体的话，他们的物理形状就会变成凹状，虽然也可以选择是视觉上判断发生碰撞地方，但这么做的话，消耗会变得非常高，这并不是我们所希望的。

那么解决的方法是，可以去掉一些小的洞，它们没有什么用处，因为你不能够从这些洞里走过去。可以减少孔洞的细分（Tesselation），但需要注意表面原始的形状，另外因为知道正反面，可以制作一些2DConvex的集合，这样可以很快速的完成。

接下来是碎片（Debris），就像你们在游戏里看到破坏产生的碎片一样，这些并没有程序化生成，因为我们觉得这是一个可以避免掉的性能热点。如果要较好的品质的话，就要在物理正确的位置来放置，获得更好的表现，可以通过实例化和积极的回收，对我们来说非常有吸引力。

其他的一些技巧有，动态碎片之间并不会相互碰撞，可以爆破一些复杂的物体，偷偷的去掉一些碎片。也可以一直使用Box，运气好的话也可以用Havok FX。

性能

接下来是破坏系统的性能

前面也提到过，我们需要60FPS，这就要求破坏的生成不能降低帧率，我们需要让每个在线游戏的玩家在游戏里看到的都是相同的。

刚提到过要关注破坏的性能预算，因为某些原因，会产生像前述提到那样的巨大风险。管理起来很简单，但是程序破坏比较麻烦，所以1堵墙给了6ms的时间预算，用了2个Procedural Layer，GPU上使用25MB内存，内存一共使用了350M。

破坏部分的内存使用方面，在制作过程中并不是很大的问题，尽可能的精益求精降低占用，最后没有费太大的力气。

L'Heureux他们做了非常多的相关工作，性能是破坏系统中最大的问题，它是完全数据驱动的，一旦美术师确定设计后，就会有非常高的复杂度和很酷外观，而且谁也不知道最后是啥效果。另外一点就是非常的准时（Punctual），所以他们使用了一系列的技术来让破坏系统可以工作。

首先L'Heureux 提到的是多线程（Multithreading），多线程在物体对象的层面上是毫无价值的，但因为每个破坏的处理是独立的，所以一个物体的不同独立部分可以分别来模拟，每个部分都可以独立的模拟的来工作。那么可以确定的是，同样物体对象的程序化破坏是可以用多线程来实现的。但这样还是不够的，后面可以加入一些算法，但工作量太大了，现阶段还没有实现。

而L'Heureux实现的方式是异步（Asynchronicity）的方式来实现破坏。这样以一种风险可控的方式来制作破坏表现。就算要几百ms，也不会对渲染、游戏体验产生很大影响，让项目中的大量开发人员的血压降低一些。但问题是这样会在实际游戏中造成破坏在视觉识别上的延迟，这样效果就不太好了。

那么它是如何工作的呢？大家都知道，Engine Tick是每帧都进行的，获得输入后就开始工作了，开始一个新的Job，通过各种的异步工作，为引擎节省了大量的开销，可以和引擎的开发人员说这样我就不会拖慢你了。可能你会觉得，这样在Job完成前就不需要更新了，完成后在把结果返回给引擎，也就做完了。如果破碎处理的太慢的话恐怕就无效了。

那么实际能做的就是预生成破坏处理（Pre Destruction），一旦你知道破坏要进行了，也可以通过动画的结束（下图这种按爆破按钮的动画）来得知Time Frame，也就是当玩家按下这个动画的一开始播放，就开始计算破坏。这样，可以提前进行破坏处理，等玩家动画结束后在把结果提交。类似的，更早的从GamePlay获取输入，然后执行各种同步，这时候你开始计算破碎，当GamePlay需要结果的时候，这时再把结果返回给引擎。这只是类似处理的例子，实际处理要加入更多的细节。需要强制其他的系统处理一些工作，对其他系统也这么干，但他们并没有这么做。

接下来是时间片（Time Slicing），如果破坏同步每帧都同步调用的话，那么引擎就不能友好的处理了。有很严格的方式来提交数据，那么最终可能会影响帧率，所以可以把工作分割为多个部分，包装时间片的话，就需要更多的时间进行计算，虽然需要更多调度上的开销，但非常的有帮助。

实际在BasicLevel上分为多个步骤，在Lower Level上更加的复杂，所以没有什么非常显著的解决方案。或许未来会在游戏里更多的使用调度来处理其他系统。把调度做的更加友好。而现在能做的就是状态变量（State variables ），它非常有用，通过这个就可以了解实际运行到哪里，在做什么了，并减少了allocation。

下图就是时间片实际使用的一个非常简单的例子。实际运行的并不是这样，但使用宏可以很简单的关闭，这些变量可以设为可见或不可见状态，可以检查剩余时间来继续的工作这点是一个特殊的设计，这样可以很好的运作了。

多线程对调试（Debug）来说非常的困难，非常痛苦。但可以通过宏很方便的关闭，所以也是可以这样做的。最后，如果你需要调试他们的话，（可以用单线程），这样就不需要承担上下文切换（Context Switch）的消耗了。通常来说，这样可以解决所有的问题，对游戏运作来说是很好的方法。这样就不用在考虑这些风险，当多线程出问题的时候，在单线程DEBUG下一般能够复现，所以总的来说还是很有用的。

接下来，是优化部分，优化通常是必须要面对的，可以更快的运行，或算法可以更快。所有游戏都期望这样。优化还是可以去做的，就是有些难度。

首先是通过测量性能，可以找到主要的瓶颈点，并进行优化。这里有很多非常好的经验，比如Telemetry，以及通过Tester，Game session和Automatic tests捕获信息来进行测量。实现起来非常的简单。如果有兴趣可以看下GDC2016上M. De Pascale的分享：Unified Telemetry, Building an Infrastructure for Big Data in GamesDevelopment 。

还有就是要限制出现恶化的情况。听起来是逻辑上的，但需要向美术师交代，可能无法用相同的语言去讲解这些，因为美术和程序思考方式不同，所以你得考虑怎么去培训。同样，可以关闭一些不再需要的特性，例如（cupboard？），在爆破后，一些被物理推开部件不需要再次做出反应（再次破坏）。最后，也可以创建一些这样的例子，增加特性来帮助限制复杂度。

举个例子，L'Heureux他们实现了一种破碎，当玩家很密集的射击了很多的弹孔后，变成了奶酪一样（下图左），可以把它变成一个大的窟窿（下图右），这样看起来的表现就更好，而且设计师和玩家也喜欢，在性能方面也更节省。

最后是限制运行时的分配（Limit Runtime Allocation），因为比较懒，L'Heureux他们在项目中修正的晚了，没有非常的关注这些。运行时的分配也会有消耗，申请内存的时候需要锁定多线程，但有时也没有其他选择必须要分配，因为需要永久的保持数据。但也可以找到一些比较好的策略，比如从hybird heap或stack arrays里读取，尽可能减小那些你始终需要的数据量，也会使用数据结构来运作，这是一个非常大的Buffer, 另外还有对象池（Pools of Objects）是给那些不会存活太长时间的，只有几帧生命周期的对象使用，也可以创建一个新的对象来使用。当然另外还有一些内置的算法。

Benchmark方面，PC速度快，子弹弹孔消耗也很低，第1个参数是程序化破坏的时间，第2个参数是不可见物体的更新和物理更新。因为可能有关系，在爆炸上大量修改了物理属性。爆破方面，因为改变了大量的事物，PC上（后面没听懂）。

在线模式 Online

Gameplay方面的特性，需要被确定（Deterministic），因为需要所有玩家都看到相同的表现，也就是需要复制（replicated）。或许你会觉得，这只是测量别人机器的工作，再同样在自己机器上工作一次。那么替代的方案是通过网络传递消息事件，要求在输入一定的情况下输出保持一致。

这样不会有什么问题，但是没有实现物理的复制（Physics Replication），因为破坏是异步的，没办法简单的指出什么时候开始，什么时候结束。角色同样也会碰撞动态的物体对象也会产生问题。在彩虹六号围攻里，因为动态物体和碎片都非常的小，在Gameplay中就忽略了。同步这些小玩意儿没有任何意义，所以动态物体对象的破碎也没有同步。

那么反过头来看如何Deterministic，L'Heureux他们的方法，是在游戏与破坏系统之间建立协议（Contract）。然后，在保证相同顺序的同一输入下，系统能保证结果一致。

那么相同的输入的处理并不简单，我们需要的是内容相同的输入。其他的时间，当你做数据压缩时，可能并不需要全部的数值。你本地的游戏也需要数据压缩，如果是客户端的话，需要把这些Deterministic发送给主机（Host），主机处理后，再压缩后发送给其他的客户端，所有的客户端要检查数值，所以需要对称的（symmetrical）压缩。这并不意味着要丢失，最开始的压缩会去掉所有信息，最后得到的结果就不一样。

保证相同顺序这个事情比较简单。在彩虹六号中，通过网络层实现了这一点，非常简单。物理模拟要能够支持多个时间挤在同一帧的情况，这样就可以处理更多内容。

接下来关注的是随机性的来程序化破坏，不论发生了什么都必须保证结果一致，如果是需要某种随机性，要向随机数生成器（RNG）传递一些游戏输入的值，基于一些游戏中公共值。在彩虹六号围攻中，完美的复制了输入，基于实际的碰撞位置，是一个很好的输入值。可以在随机数生成器中使用这些数据，有了足够的粒度后，就没有人会发现这其实并不是完全随机的。

另外随机数生成器是在C++中使用的，使用起来非常的简单，但要关注time slicing的使用。

那么什么是不同状态（Different State），信息可能来源于过去（Past），从客户端发出，比如需要异步处理的信息。也可能获取来自于将来（Future）的信息，是服务器主机有事件的爆发。所以需要可以容忍这些现象，但可以保存一些历史记录，重新的定位。也可以使用一些机制，让信息回滚到需要的位置。

然后是即时反馈（Instant Feedback），当在射击时，需要一种即时的反馈，在彩虹六号中，当你射中一些易碎的东西时会有立刻的反馈，当你处于在线模式时，你发送信息并等待返回，这会成为一个问题，在互联网上游戏时，会有大量的延迟，所以你没法直接就发送再等待返回。打破顺序（Ordering），游戏中的协议就会打破，这样在自我破坏（self-destruction）的特性上就很成问题，例如很多弹孔变成一个大洞的变化，如果顺序发生了改变，那就会以不同的顺序结束，导致变成不同的数值，不同玩家会产生分歧得到不同的值，就完蛋了。

L'Heureux他们的解决方法是，把这个特性分为了两个部分，首先是表面的实际伤害（Damage），使用了较大的数值，要关注的是，有些很小的数值被送到了Host上，

所有的数据被传送到其他的每个客户端，除了玩家自己获得的是特殊的信息，这个就保证了damage被处理的顺序保持一致。

虽然这不是一个完美的解决方案，发起者（Originator）可能会有微小的不同。在实践中，做了非常多的测试，在相同的位置，虽然有一些小的不同点，但并不是问题。

另外，还有一些其他的解决方案，之前提到的一些点并不足够的好，这里使用了一种更好的称作回滚（Rollback）的的解决方案。客户端上做的一些事情可以进行跟踪，当从host获取消息后，如果没有超出保存记录的栈的范围的话，可以Undo之前的改变，重新适应的消息，再Redo新的消息。这看起来非常的有逻辑性，在延迟不是很高的情况下可以很好的运作。

堆栈可能会变得非常非常高，那么运行起来就有很大的浪费，就并不是那么好了。所以 L’Heureux他们没这么做，未来也许会尝试下，但目前的解决方案够用了。

未来的发展与总结

未来的开发简单来说是工具，通过工具可以让破坏的制作更加简单和轻松，这样就可以处理大量的工作，有各种不同的输入和输出，美术就可以更加清晰的制作表现，一开始他们只能做平面，现在可以做弯曲的表面了。在彩虹六号里也可以设置曲面。也会开发更好的破坏类型，例如塑形变形（Plastic Deformation），压力分析（Stress analysis），（没听懂）。获得更好的外观效果。