[Unity] 從零開始的學習心得 #1 – 遊戲如何動起來

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此篇文章是《從零開始的 Unity 學習心得》系列的第一篇文章，這個系列是記錄我對 Unity 的開發及學習心得，包含我用何種方式去理解 Unity 的運作，並且在我所知的範圍內盡可能說明相關原理與開發要點。完整系列的目錄可以參考：

在開始深入 Unity 之前，我會建議先有點撰寫程式的概念。而這篇文章會先說明，遊戲程式與一般學習程式語言時撰寫的單次性程式的差異：遊戲迴圈。

讓遊戲動起來 – 遊戲迴圈 (Game Loop)

如果你去網路上搜尋 “遊戲迴圈" 四個中文字，跑出來的內容可能是關於遊戲體驗、遊戲企劃設計之類的內容，但這不是我說的對象；改用英文 “Game loop" 才比較容易精確找到我所想指稱的內容，精確對應的中文專有名詞應該是沒有吧。

一個 Game loop 分成了三個階段：

  • Input：偵測並收集所有外部輸入的資料，包括玩家操作、資源檔載入、網路封包等。
  • Update：依照當前既有的資料、以及最新的 Input 進行邏輯運算、資料更新。
  • Rendering：依照最新的資料，更新畫面。

只要遊戲程式一被順利開啟、持續地在運作，這三個階段就不斷的被依序重複執行，形成一個迴圈 (loop)，一直到遊戲被關閉結束，這迴圈都不會停止，是遊戲能夠 “被遊玩" 的基本原理。

舉例來說明的話：

  • Input：按下鍵盤上的方向鍵。
  • Update：發現最新的輸入資料有方向鍵，朝該方向移動腳色的位置資料。
  • Rendering：繪製出最新的畫面，讓腳色的位置跟過去有所差別。

如此一來，遊戲角色就開始在畫面中移動了！

有個相關名詞：禎率 (FPS，Frame per second)，直接翻譯的話就是 “每秒的畫面數"，在遊戲中代表著畫面更新速度，同時也代表著每秒運作了多少次的 Game loop 。跟電影或動畫一樣，遊戲也依靠每秒替換幾張圖片來讓畫面動起來，只是遊戲作為 “可以控制的動畫" 多了 1 跟 2 兩個步驟。

Unity 在 Game loop 上的實現與窗口

使用 Unity 進行遊戲開發，遊戲的運作原理依舊離不開 Game loop 的概念，只是三個步驟被打散到遊戲引擎的不同功能，並由引擎本身來進行整合，實現遊戲的運作。

Input 部分

Unity 的程式腳本 API 中，便有一個以 Input 為名的類別，可以用來得知玩家的輸入訊號，包括鍵盤、滑鼠或是觸控螢幕的點擊。配合在專案中對 Input Manager 的設定，還能取得搖桿的輸入訊號；配合 GUI Event System 的設定，則可以直接對應到 UI 元件的輸入等。

這些 Input 訊號會由 Unity 統一擷取，被且將訊號的最新資訊儲存在遊戲引擎的某處，Update 階段再由腳本呼叫 API 進行取用。

廣義上的輸入，還有檔案讀取的部分。Unity 有場景 (Scene)、資源 (Resource)、串流 (Steaming Asset) 等不同手段，用來配合不同的需求。網路部分則有 WWW 以及 UnityWebReqeust 兩個類別來支援；若有需要，.NET C# 提供了 TCP 與 UDP 的 Socket 連線類別，在 Unity 上也能直接使用。

Update 部分

如果要撰寫 Unity 的腳本，第一個會認識到的類別便是 MonoBehaviour，這是每個要跟 Unity Game Loop 進行互動時，必然要使用到的類別。

不同遊戲的 Update 階段會因為相異的玩法與設計需要，有著各式各樣的自訂邏輯，為了要將自訂的邏輯定義給 Unity 執行，一般會將相關的程式碼寫在 MonoBehaviour 的 Start、Update、FixedUpdate 等方法中，來與 Unity 進行互動。

可以想像成 Unity 的 Game loop 在 Update 階段留下了許許多多的空格，讓遊戲開發者將邏輯相關的程式碼直接填入其中。這樣當 Game loop 運作的過程中，Unity 會在符合定義情況時，直接取用對應區塊的程式碼來執行，就像在一個現成個骨架上推砌積木，讓開發者建立出形形色色的玩法。

對應不同的情況跟時機，Unity 會執行的方法 (Message Function) 有相當多種類，在開發 Unity 遊戲時，如果有數個物件之間會相互影響，便要注意這些 Message Function 的先後順序，來避免預期之外的錯誤發生。要記得，Unity 是個開發工具，不是通靈許願機，只有你主動去了解並正確的使用它，遊戲才能真正地依照設計去運作。

除了直接用腳本來告知 Unity Update 邏輯，還可以配合內建的許多工具：動畫狀態機 (Animator)、物理碰撞器 (Collider)、腳色尋徑 (Navigation) 等功能，來節省需要撰寫的程式碼，以及配合動畫控制、物理系統上的複雜開發。

Rendering 部分

在 Unity 中，任何 Update 階段對場景配置進行的更動，都會透過許多 Unity 的 API 來完成，而 Unity 再透過場景的配置 ，自動地完成畫面的繪製與更新。

原本作為畫面呈現的這個階段，越是複雜的遊戲，越是有著包山包海的開發工作要進行，但是 Unity 做為一個遊戲引擎，已經內建完成了大部分的工作，我們只要利用不同的 GameObject 跟 Camera 來排列出想要的畫面即可。

除了 GameObject 的位置，為了做出各種不同的畫面效果，Unity 提供了 Particle System 以及 Shader Lab 來提供開發者進行特效製作與自訂的畫面效果。

一般來說，Rendering 的開發細節與原理會歸類在 Unity 的進階部分，不只是要能了解 Unity 本身的知識，還要進一步吸收關於 Rendering Pipeline 等遊戲開發的理論原理，才能自由自在地做出理想的畫面，可以說是無底洞般的大坑。

不過 Unity 的 Asset Store 跟網路上已經有了許多付費或免費的資源，透過社群交流與分享的力量，讓本來是神秘黑科技的遊戲開發細節，成為相對容易使用的現成工具，可以直接用在遊戲的開發上，這也是使用商業引擎開發遊戲的主要優勢之一。