[Unity]拼接地块的随机地图生成

Pamisu

一个3D场景中拼接地块的随机地图的尝试过程，个人感觉效果不是非常理想，还有许多优化空间，总之先记录一下。

虽说是3D场景，但生成的地图块都在同一个平面上，严格来说依然是2D的思路。对于类似3D地牢的生成，有一篇文章介绍：在Unity中程序化生成的地牢环境。

整体思路：

准备若干个地块，每个地块包含朝向东、西、南、北其中一个或多个的开口
将每个地块做成预制体并烘焙光照贴图
随机生成初始地块，根据地块开口匹配可拼接的地块，不断生成拼接直至完成

缺点：

地块形状不一，很难做出环路
生成算法为逐个生成，而不是先生成一堆随机位置的地块再将它们连接，过程较为繁琐，并且如果发生冲突会有较多的重新尝试次数

地块

在一个场景中搭建好各类地块：

由于计划要烘焙光照贴图，地块的开口朝向就必须都是固定的，旋转地块、移除墙壁都会导致穿帮。当然也可以设置一些动态的墙壁，需要时通过移除它们来形成开口。

上图搭建好的地块中，右侧两列为需要生成的主要地块，拥有2~4个方向的开口；中间四个小地块分为横向与竖向，用来连接主要地块；左上角四个为单开口，在地块生成完毕后，用它们来封闭上空余的开口。

烘焙

地块大致搭完后将它们都做成预制体，进行烘焙。这里使用插件Unity Lightmap Prefab Baker ，它将整个场景按当前的光照设置进行烘焙，烘焙出的光照贴图移动到指定文件夹，然后通过挂在预制体下的脚本记录关联的光照贴图，当预制体加载到新场景时将它们关联起来。

插件安装好后，每个地块预制体挂上PrefabBaker脚本：

Window -> Prefab Baker 打开面板，调整相应设置后点击烘焙：

默认的光照贴图放在Assets/Resources/Lightmaps目录下，开发阶段可以暂时放在这里。如果2019版本报"Failed to created asset"错误，可尝试修改Plugins/PrefabBaker/Scripts/EditorUtils.cs，在200行：

// Directory.CreateDirectory( Directory.GetParent( saveTo ).FullName );
// 改为：
Directory.CreateDirectory( Directory.GetParent( saveTo ).Name);

烘焙完成后：

拼接准备

为了让地块之间的开口能顺利对接上，地块的每个开口处需要放置一个空对象作为连接点，令两个地块的连接点重合即完成拼接。地块还需要有类型，这里分为了Room(房间，单开口), Corridor(走廊，东西或南北开口), Corner(拐角), TShaped(丁字), Hall(大厅，四面开口)。

// 地块连接点
[System.Serializable]
public class Joint
{
    public enum Type
    {
        Up, Right, Down, Left
    }
    public Type type;
    public Transform transform;
    public bool isUsed; // 是否已连接
}

// 地块
public class Cell : MonoBehaviour 
{
    public enum Type 
    {
        Room, Corridor, Corner, TShaped, Hall
    }
    public Type type;
    public Joint[] joints;
}

连接点，Z轴朝向开口方向：

地块预制体：

拼接时需要能获取到地块的连接点情况，加入相关方法：

public class Cell : MonoBehaviour 
{
    ...
    public void GetAvailableJoints(List<Joint> results)
    {
        results.Clear();
        foreach (var item in joints)
        {
            if (!item.isUsed)
                results.Add(item);
        }
    }

    public int GetAvailableJointsCount()
    {
        int count = 0;
        foreach (var item in joints)
        {
            if (!item.isUsed)
                count++;
        }
        return count;
    }

    public Joint GetJoint(Joint.Type jointType)
    {
        foreach (var item in joints)
        {
            if (item.type == jointType)
            {
                return item;
            }
        }
        return null;
    }

    public bool HasJoint(Joint.Type jointType)
    {
        return GetJoint(jointType) != null;
    }
}

生成

在一个新场景中生成地图，编写LevelGenerator.cs脚本：

public class LevelGenerator : MonoBehaviour
{
    [Header("地块")]
    [Tooltip("生成地块总数")]
    public int cellTotalNum;
    [Tooltip("地块预制体")]
    public List<Cell> cellPrefabs;

    // 分类预制体
    List<Cell> roomPrefabs; // 房间（单开口）
    List<Cell> corridorPrefabs; // 走廊（左右、上下开口）
    List<Cell> bigCellPrefabs;  // 其他大地块
    ...

先对地块预制体进行分类：

/// <summary>
/// 将地块预制体归类到不同列表
/// </summary>
void SortCellPrefabs()
{
    roomPrefabs = new List<Cell>();
    corridorPrefabs = new List<Cell>();
    bigCellPrefabs = new List<Cell>();
    foreach (var item in cellPrefabs)
    {
        if (item.type == Cell.Type.Room)
            roomPrefabs.Add(item);
        else if (item.type == Cell.Type.Corridor)
            corridorPrefabs.Add(item);
        else
            bigCellPrefabs.Add(item);
    }
}

分好类之后开始生成，编写生成地图的方法GenerateLevel，由于需要多次将满足条件的对象放入列表来随机抽取，事先准备好一些列表避免反复创建：

void GenerateLevel()
{
    List<Cell> cells = new List<Cell>();  // 当前已生成的且连接口未封闭的地块列表
    List<Cell> tempCells = new List<Cell>();    // 临时地块列表，用于随机当前匹配的地块预制体
    List<Joint> tempJoints = new List<Joint>(); // 临时地块连接口列表，用于随机当前地块连接口
    int cellNum; // 当前地块数量（已生成+即将生成）
    ...

先生成一个初始地块，这里选择走廊作为初始的地块，也可用其他的地块类型：

// 生成初始地块
Cell cell = Utils.GetRandom<Cell>(corridorPrefabs);
cell = Instantiate(cell, transform);
cell.transform.position = transform.position;
cells.Add(cell);
cellNum = 1 + cell.GetAvailableJointsCount();   // 已生成1个+即将生成个数

GetRandom方法:

public static T GetRandom<T>(List<T> list)
{
    if (list.Count < 0) 
        return default(T);
    int index = Random.Range(0, list.Count);
    return list[index];
}

需要注意新场景中的光照（主要是平行光）需要和烘焙场景保持一致。

当前的算法是逐个拼接生成地块，最后用单开口地块对所有空余的开口进行封闭。为了控制地块数量，当前的地块数量为已生成个数加上即将生成个数。

编写循环生成：

// 循环生成
while (cellNum < cellTotalNum)
{
    // yield return new WaitForSeconds(.3f);  // 调试时使用协程，方便观察
    // 随机获取现有未封闭地块，并随机取得其连接口
    cell = Utils.GetRandom<Cell>(cells);
    cell.GetAvailableJoints(tempJoints);
    var currentJoint = Utils.GetRandom<Joint>(tempJoints);
    // 获取与当前连接口匹配的地块
    Cell matchingCell;  
    // 走廊与大地块轮流生成
    if (cell.type != Cell.Type.Corridor)
        matchingCell = GenerateMatchingCell(corridorPrefabs, currentJoint, tempCells);
    else
        matchingCell = GenerateMatchingCell(bigCellPrefabs, currentJoint, tempCells);
    // 没有生成合适的地块则跳过
    if (matchingCell == null)
    {
        Debug.Log("当前连接点没有合适的地块与之连接，跳过");
        continue;
    }
    cells.Add(matchingCell);
    // 若无剩余可用连接口则从列表中移除，更新当前地块数量
    if (cell.GetAvailableJointsCount() == 0)
        cells.Remove(cell);
    cellNum += matchingCell.GetAvailableJointsCount();
}

GenerateMatchingCell方法用于寻找与当前地块连接口匹配的地块预制体，找到之后将它们拼接：

/// <summary>
/// 生成与当前连接口相匹配的地块并连接
/// </summary>
/// <param name="cellPrefabs">地块预制体列表</param>
/// <param name="currentJoint">当前连接口</param>
/// <param name="tempCells">临时地块列表，用于从满足条件的地块中随机抽取</param>
/// <returns>匹配的地块</returns>
Cell GenerateMatchingCell(List<Cell> cellPrefabs, Joint currentJoint, List<Cell> tempCells)
{
    // 获取期望匹配的连接口类型
    var expectedJointType = GetExpectedJointType(currentJoint.type);
    // 根据期望匹配的连接口类型获取合适的地块
    var matchingCell = GetMatchingCell(cellPrefabs, expectedJointType, tempCells);
    if (matchingCell == null)
        return null;
    matchingCell = Instantiate(matchingCell, transform);
    // 将两个地块的连接口位置重合，计算出生成地块位置
    var matchingJoint = matchingCell.GetJoint(expectedJointType);
    var distance = -matchingJoint.transform.localPosition;
    var cellPosition = currentJoint.transform.position + distance;
    // 设置新地块位置与连接点使用情况
    matchingCell.transform.position = cellPosition;
    currentJoint.isUsed = true;
    matchingJoint.isUsed = true;
    return matchingCell;
}

要寻找匹配的地块，首先要找到跟当前连接点匹配的连接点类型：

/// <summary>
/// 获取当前连接口匹配的连接口类型
/// </summary>
Joint.Type GetExpectedJointType(Joint.Type currentType)
{
    // 上开口连接下开口、左开口连接右开口
    Joint.Type expectedType = default(Joint.Type);
    if (currentType == Joint.Type.Up)
        expectedType = Joint.Type.Down;
    else if (currentType == Joint.Type.Right)
        expectedType = Joint.Type.Left;
    else if (currentType == Joint.Type.Down)
        expectedType = Joint.Type.Up;
    else
        expectedType = Joint.Type.Right;
    return expectedType;
}

然后在地块预制体中寻找包含这种连接点类型的地块：

/// <summary>
/// 获取与当前连接口匹配的地块
/// </summary>
/// <param name="cellPrefabs">地块预制体列表</param>
/// <param name="expectedType">期望连接口类型</param>
/// <param name="tempCells">临时地块列表，用于随机</param>
Cell GetMatchingCell(List<Cell> cellPrefabs, Joint.Type expectedType, List<Cell> tempCells)
{
    tempCells.Clear();
    foreach (var item in cellPrefabs)
    {
        if (item.HasJoint(expectedType))
        {
            tempCells.Add(item);
        }
    }
    if (tempCells.Count == 0)
        return null;
    return Utils.GetRandom<Cell>(tempCells);
}

效果：

最后GenerateLevel方法中将有空余连接点的地块封口：

// 将剩余地块用单开口地块封闭
foreach (var item in cells)
{
    item.GetAvailableJoints(tempJoints);
    foreach (var joint in tempJoints)
    {
        // yield return new WaitForSeconds(.3f);
        GenerateMatchingCell(roomPrefabs, joint, tempCells);
    }
}

效果：

冲突处理

生成较多地块时，会发生冲突：

由于是逐个地块生成，冲突检测只能在要生成下一个地块时进行判断，如果当前连接点前方一段距离内已经存在地块，则该连接点不能用于继续生成，需要封闭；另外，如果连接点前方不存在地块，还需要判断前方的前方、左方、右方是否存在地块，若存在则只能生成开口朝向别处的地块。

每个地块添加碰撞体：

LevelGenerator.cs加入冲突检测相关配置：

[Header("冲突检测")]
[Tooltip("检测距离")]
public float conflictCheckDistance;
[Tooltip("检测box")]
public Vector3 conflictCheckHalfBox;
[Tooltip("检测图层")]
public LayerMask cellLayer;

GenerateLevel方法中：

void GenerateLevel()
{
    ...
    // 不期望的房间连接口，用于避免生成可能会造成冲突的房间
    List<Joint.Type> unwantedJointTypes = new List<Joint.Type>();   
    int cellNum; // 当前地块数量（已生成+即将生成）
    // 生成初始地块
    ...
    // 循环生成
    while (cellNum < cellTotalNum)
    {
        // 随机获取现有未封闭地块，并随机取得其连接口
        ...
        // 检测当前连接口前方是否存在直接冲突，若存在则直接跳过
        // 或其前方的左、前、右是否存在冲突，若存在则存放在不期望的房间连接口列表中
        unwantedJointTypes.Clear();
        if (CheckConflict(currentJoint, unwantedJointTypes))
        {
            Debug.Log("检测到冲突，放弃当前房间");
            continue;
        }
        // 获取与当前连接口匹配的地块
        ...
    ...

CheckConflict方法:

bool CheckConflict(Joint joint, List<Joint.Type> unwantedJointTypes)
{
    // 先检测前方是否有冲突
    var center = joint.transform.position + joint.transform.forward * conflictCheckDistance;
    var cols = Physics.OverlapBox(center, conflictCheckHalfBox, Quaternion.identity, cellLayer, QueryTriggerInteraction.Collide);
    if (cols.Length > 0)
    {
        // 存在冲突则直接返回
        return true;
    }
    else
    {
        // 没有冲突，再检测相对于前方的前方、左方、右方是否存在冲突
        var distance = 3 * conflictCheckDistance;
        var forward = Physics.OverlapBox(center + joint.transform.forward * distance, conflictCheckHalfBox, Quaternion.identity, cellLayer, QueryTriggerInteraction.Collide);
        var left = Physics.OverlapBox(center - joint.transform.right * distance, conflictCheckHalfBox, Quaternion.identity, cellLayer, QueryTriggerInteraction.Collide);
        var right = Physics.OverlapBox(center + joint.transform.right * distance, conflictCheckHalfBox, Quaternion.identity, cellLayer, QueryTriggerInteraction.Collide);
        // 记录到不期望的连接类型列表
        if (forward.Length > 0)
            unwantedJointTypes.Add(joint.type);
        if (left.Length > 0)
            unwantedJointTypes.Add(joint.GetLocalLeft());
        if (right.Length > 0)
            unwantedJointTypes.Add(joint.GetLocalRight());
        return false;
    }
}

如果没有直接冲突，按照上面的逻辑判断前方的前方、左方、右方是否存在地块，若存在则记录到不期望的连接类型列表，随后由GenerateMatchingCell传入到GetMatchingCell中：

Cell GenerateMatchingCell(List<Cell> cellPrefabs, Joint currentJoint, List<Joint.Type> unwantedJointTypes, List<Cell> tempCells)
{
    ...
    // 根据期望匹配的连接口类型获取合适的地块
    var matchingCell = GetMatchingCell(cellPrefabs, expectedJointType, unwantedJointTypes, tempCells);
    ...
}

Cell GetMatchingCell(List<Cell> cellPrefabs, Joint.Type expectedType, List<Joint.Type> unwantedTypes, List<Cell> tempCells)
{
    ...
    foreach (var item in cellPrefabs)
    {
        if (item.HasJoint(expectedType))
        {
            // 判断是否还包含不期望的连接口
            bool hasUnwanted = false;
            if (unwantedTypes != null)
            {
                foreach (var unwantedType in unwantedTypes)
                {
                    if (item.HasJoint(unwantedType))
                    {
                        hasUnwanted = true;
                        break;
                    }
                }
            }
            if (!hasUnwanted)
                tempCells.Add(item);
        }
    }
    ...
}

效果：