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🏹 投射物系统深度解析

本文档旨在构建一个通用、高性能、高扩展性的投射物系统理论框架。 在 Project Vampirefall 中，投射物（Projectiles）是塔防与战斗的核心交互载体。与 Hitscan（射线判定）不同，投射物拥有飞行时间 (Travel Time)、独立轨迹和物理交互。

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1. 核心分类与定义 (Taxonomy)

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1.1 逻辑分层

投射物不应该是一个简单的 MonoBehaviour，它应包含两个分离的层：
  1. 逻辑层 (Data/Simulation): 处理位置、速度、碰撞检测、生命周期。为了性能，通常由 ProjectileManager 统一驱动（ECS 或 Struct-based）。
  2. 表现层 (View/Rendering): 处理模型渲染、拖尾特效 (Trail)、粒子系统。只负责“跟随”逻辑层的位置。

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1.2 运动模式 (Movement Types)

类型描述适用场景数学模型
直射 (Linear)沿直线匀速/变速飞行。箭矢、子弹、激光束。P=P0+V⋅tP = P_0 + V \cdot t
抛射 (Lobbed)受重力影响，呈抛物线。迫击炮、手雷、投石车。y=v0yt−12gt2y = v_{0y}t - \frac{1}{2}gt^2
追踪 (Homing)动态调整速度向量指向目标。魔法飞弹、制导导弹。Steering Behavior (操纵行为)
贝塞尔 (Bezier)沿预计算的曲线飞行，无物理模拟。华丽的技能弹道、回旋镖。Bezier Curve Interpolation
环绕 (Orbital)围绕宿主或定点旋转。护盾球、环绕法球。Polar Coordinates (极坐标)
垂直发射 (Javelin)先垂直升空，再转为追踪。标枪导弹 (Javelin)、天降正义。State Machine (Ascend -> Lock -> Homing)

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2. 弹道数学与实现 (Trajectory Mathematics)

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2.1 抛物线弹道 (Parabolic Arc)

给定起点 SS、终点 EE和飞行时间TT（或高度 HH），如何计算初速度 V0V_0？ 公式推导 (基于时间 TT):
  1. 水平速度: Vx=(E.x−S.x)/TV_x = (E.x - S.x) / T, Vz=(E.z−S.z)/TV_z = (E.z - S.z) / T
  2. 垂直速度: Vy=(E.y−S.y−0.5⋅g⋅T2)/TV_y = (E.y - S.y - 0.5 \cdot g \cdot T^2) / T(注意重力gg通常为负值，公式中gg取−9.8-9.8)
代码片段: 
public Vector3 CalculateLobVelocity(Vector3 start, Vector3 end, float time)
{
    Vector3 distance = end - start;
    Vector3 distanceXZ = distance;
    distanceXZ.y = 0;

    float sY = distance.y;
    float sXZ = distanceXZ.magnitude;

    float Vxz = sXZ / time;
    float Vy = (sY / time) + (0.5f * Mathf.Abs(Physics.gravity.y) * time);

    Vector3 result = distanceXZ.normalized;
    result *= Vxz;
    result.y = Vy;

    return result;
}

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2.2 追踪算法 (Homing Logic)

简单的 LookAt 会导致导弹像苍蝇一样抽搐。优秀的追踪需要转弯速度限制 (Turn Rate Limit)。 实现步骤:
  1. 计算理想速度向量: DesiredVelocity = (TargetPos - CurrentPos).normalized * Speed
  2. 计算转向力: Steering = DesiredVelocity - CurrentVelocity
  3. 限制转向力: Steering = Vector3.ClampMagnitude(Steering, TurnRate * dt)
  4. 应用速度: CurrentVelocity += Steering

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2.2.1 旋转数学 (Rotation Math)

为了让导弹平滑转向目标，我们应使用四元数 (Quaternion)。
  • Slerp: Quaternion.Slerp(currentRot, targetRot, turnSpeed * dt)。适合平滑插值，但在大角度转向时可能不够直接。
  • RotateTowards: Quaternion.RotateTowards(currentRot, targetRot, maxDegreesDelta)。更精确地控制每帧最大转角，适合模拟导弹的机械限制。

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2.3 高级预判算法 (Advanced Prediction)

预瞄准理论 (Lead Aiming):
  • 目标位置 PTP_T，目标速度 VTV_T，子弹速度 SBS_B，子弹位置 PBP_B。
  • 我们需要找到一个时间 tt，使得 Distance(PB,PT+VT⋅t)=SB⋅tDistance(P_B, P_T + V_T \cdot t) = S_B \cdot t。
  • 这转化为解方程：∣(PT−PB)+VT⋅t∣2=(SB⋅t)2| (P_T - P_B) + V_T \cdot t |^2 = (S_B \cdot t)^2。
  • 求解 tt后，预测点PAim=PT+VT⋅tP_{Aim} = P_T + V_T \cdot t。
迭代求解 (Iterative Solver): 当目标不是匀速直线运动（例如在做圆周运动或变速运动），解析解变得极其复杂。此时应使用迭代法：
  1. 假设碰撞时间 t0=Distance/Speedt_0 = Distance / Speed。
  2. 预测 t0t_0后的目标位置P1P_1。
  3. 更新碰撞时间 t1=Distance(Start,P1)/Speedt_1 = Distance(Start, P_1) / Speed。
  4. 重复步骤 2-3，直到 tn−tn−1t_n - t_{n-1} 小于阈值。通常 3-5 次迭代即可获得极高精度。

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2.4 物理模拟进阶 (Advanced Physics)

为了追求更真实或特殊的手感，我们需要引入空气动力学。

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空气阻力 (Drag)

真空中的抛物线是完美的对称图形，但在游戏中这看起来可能很“飘”。
  • 模型: Fd=−k⋅v2F_d = -k \cdot v^2 (阻力与速度平方成正比，方向相反)。
  • 效果: 投射物会有一个“终端速度”，且下落轨迹比上升轨迹更垂直。

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数值积分 (Integration)

  • Explicit Euler: Pos += Vel * dt; Vel += Acc * dt; 简单但误差大，不推荐用于长距离高精度弹道。
  • Velocity Verlet: 能量守恒性更好，弹道更稳定。 
    Pos += Vel * dt + 0.5 * Acc * dt * dt;
NewAcc = ComputeForces(Pos, Vel);
Vel += 0.5 * (Acc + NewAcc) * dt;

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3. 交互机制 (Interaction Mechanics)

当投射物检测到碰撞后，不仅是造成伤害，还可以触发复杂的后续行为。

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3.1 穿透 (Piercing / Passthrough)

  • 逻辑: 投射物击中敌人后不销毁，而是扣减 PierceCount 并继续飞行。
  • 关键痛点: 霰弹枪效应 (Shotgunning)。
    • 问题: 如果一帧内检测多次（射线步进），或者投射物体积很大，可能会在同一帧对同一敌人触发多次伤害。
    • 解决: 每个投射物维护一个 List<int> hitInstanceIDs。击中时检查 ID，若已存在则跳过。

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3.2 弹射 (Ricochet / Bounce)

  • 逻辑: 击中障碍物或敌人后，改变方向继续飞行。
  • 物理反射:
    • 公式: R=I−2(I⋅N)NR = I - 2(I \cdot N)N
    • II: 入射向量 (Velocity.normalized)
    • NN: 碰撞面法线 (HitInfo.normal)
  • 智能弹射 (Chain/Smart Bounce):
    • 场景: 闪电链，希维尔的弹射。
    • 逻辑: 不遵循物理反射。以命中点为中心，OverlapSphere 寻找最近的、未被击中过的敌人作为下一个目标方向。

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3.3 垂直发射追踪 (Javelin Style)

这是一种两阶段弹道，常用于“攻顶”导弹。 逻辑流程:
  1. 升空阶段 (Ascend Phase):
    • 给一个初始向上的速度 Vector3.up * LaunchForce。
    • 施加较小的重力或甚至反重力，使其快速爬升到指定高度（如 20米）。
    • 在此阶段忽略目标位置，纯粹向上。
  2. 巡航/下落阶段 (Cruise/Descend Phase):
    • 当到达最高点或飞行时间 > t1t_1。
    • 开启 Homing Logic。
    • 设置极高的 TurnRate（或者直接 Slerp 旋转），让导弹头朝下对准目标。
    • 重力恢复正常，利用重力加速下落。

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4. 碰撞检测方案 (Collision Detection)

在高性能要求下（同屏 1000+ 弹幕），不能给每个子弹挂 Rigidbody + Collider。

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4.1 射线步进 (Raycast Step) —— 推荐标准

  • 原理: 每一帧，从“上一帧位置”向“当前帧位置”发射射线。
  • 公式: Physics.Raycast(prevPos, (currPos - prevPos).normalized, dist)
  • 优点:
    • 防穿模 (Anti-Tunneling): 即使速度极快，射线也会覆盖整个路径，不会穿墙。
    • 性能: 比 Collider 物理引擎开销小得多。
  • 缺点: 射线没有体积（对于很细的射线，可能穿过怪物的缝隙）。

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4.2 球形步进 (SphereCast Step) —— 高宽容度

  • 原理: 同上，但使用 Physics.SphereCast。
  • 适用: 炮弹、火球等大体积投射物。给予玩家更宽松的命中判定。

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4.3 胶囊体步进 (CapsuleCast Step) —— 长条物体

  • 适用: 长矛、光剑、箭矢。
  • 原理: Physics.CapsuleCast。相比射线，它有一个“粗细”；相比球体，它能更好地模拟长条物体的体积，避免“箭身”穿过敌人却没判定的情况。

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4.4 延迟补偿 (Lag Compensation) - 网络同步

虽然本项目偏单机，但若涉及联机，需理解：
  • 服务器在判定命中时，会将所有敌人的位置“回滚”到客户端发射子弹的那个时间戳（Ping值前）。
  • 这就是为什么你在本地看到打中了，服务器也认可打中了，即使现在敌人已经跑开了。

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5. 性能架构设计 (Performance Architecture)

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5.1 投射物管理器 (Projectile Manager)

不要让每个 Bullet 都有 Update()。 
public struct ProjectileData {
    public Vector3 position;
    public Vector3 velocity;
    public float gravityScale;
    public int pierceCount;
    public int targetMask;
    // ...
}

public class ProjectileManager : MonoBehaviour {
    private ProjectileData[] _projectiles; // 或 NativeArray
    private int _activeCount;

    void Update() {
        // 1. 批量更新位置 (Simulate Physics)
        for (int i = 0; i < _activeCount; i++) {
            UpdateProjectile(ref _projectiles[i], Time.deltaTime);
        }
        // 2. 批量处理碰撞 (Collision Query)
        // 3. 批量更新渲染实例 (GPU Instancing / Matrix List)
    }
}

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5.2 对象池 (Object Pooling)

  • 必须: 投射物的产生和销毁极其频繁。
  • 策略:
    • 逻辑数据池 (ProjectileData)
    • 视觉表现池 (GameObject 或 VFX)
    • 当逻辑结束时，回收视觉对象。注意处理 Trail Renderer 的拖尾残留问题（需调用 Clear()）。

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6. 总结与最佳实践 (Best Practices)

  1. 分离逻辑与表现: 永远不要让渲染卡顿影响子弹的判定。逻辑层可以跑在 FixedUpdate 或独立线程。
  2. 防穿模是底线: 对于高速投射物，必须使用射线步进，严禁仅使用 OnTriggerEnter。
  3. 智能优于真实: 塔防游戏中，如果箭矢因为物理反弹飞出地图是很糟糕的体验。优先使用智能弹射（必中下一个怪）。
  4. 性能分级:
    • Hero Projectiles: 可以用粒子、模型、SphereCast。
    • Minion Projectiles: 使用 Billboard 面片、Raycast。
    • Massive Projectiles: 使用 GPU Instancing + 纯距离判定。