UE4高級運動系統（Advanced Locomotion System V3）插件分析

Advanced Locomotion System V3是虛幻商城的一款第三方插件，它相比UE4的基礎走跑跳表現，實作了更多動作游戲里常用的運動特性，雖然價格定價不菲，依然備受關注，筆者試用了這款插件，確實很強大，適合作為基礎插件來做FPS，ACT游戲，因此簡單學習分析下這款插件，

插件特點：

1. 具備動作游戲的常見特性，支持多種移動模式，步行，奔跑，沖刺，下蹲，Ragdoll
2. 運動細節做得很到位，包括原地轉身，奔跑急停轉向，移動中身體傾斜，落地腿部緩沖，頭部Aim Offset（AO），腿部IK
3. 支持網路同步
4. 純藍圖實作，適合策劃、開發學習應用

影片樹分析

插件用了兩顆影片樹，Mannequin_AnimBP和Mannequin_IK_AnimBP，前者掛載在人物Blueprint上，用來處理人物主體影片；后者掛載在人物的Skeletal Mesh上，用作影片后處理來實作腳部IK影片，Mannequin_AnimBP影片樹大體分為地面動作、空中動作兩部分的處理，其中地面Locomotion的表現需求是最多的，

地面Locomotion

地面Locomotion算是影片樹最復雜的狀態機了，可以簡單分為3層：

可以看到第一層狀態機只是對第二層狀態機輸出影片做了一個呼吸影片的疊加，第二層狀態機輸出的Idle影片其實是靜止Pose，在這一層才統一疊加上呼吸影片，

第二層狀態機只定義了幾種Locomotion狀態的過渡邏輯，可以看到Locomotion有走停轉站四種狀態，

第三層狀態機分別是走停轉站的影片實作，其中走（Moving）的實作是最為復雜的，可以看到狀態機有很多影片分支，全部是用BlendSpace，以Direction，Gait Value作為輸入值來輸出移動影片的，在此簡單解釋Gait Value，插件設計該變數將Walk/Run/Sprint三類狀態的速度值映射為[1,3]，影片機內只關注跟Walk/Run/Sprint狀態相關的Gait Value，無須關注具體速度值，

人物有兩種轉身模式，一種是根據人物速度方向轉身（Velocity Direction Mode），一種是根據鏡頭方向轉身（Looking Direction Mode），這兩種轉身模式也造就了兩種移動模式，通常適用于在ACT/FPS游戲里切換格斗/射擊和自由移動兩種移動模式，轉身模式通過變數ALS_RotationMode控制，

八方向移動

以人物速度方向轉身的移動影片比較簡單，基本只需要對朝前的Walk/Run/Sprint影片做BlendSpace融合即可，以鏡頭方向轉身的移動影片則要做八方向移動影片，簡單的八方向影片（前/后/左/右/左前/左后/右前/右后方向移動）其實用一個BlendSpace就可以實作，但插件做了更復雜的八方向影片，左右移動進一步細分出了左移姿勢前進，左移姿勢后退，右移姿勢前進，右移姿勢后退等四個動作，用了兩個BlendSpace來實作這種八方向移動，

狀態機根據人物移動方向切換使用兩個BlendSpace，當鏡頭與速度方向夾角處于[-90,90]范圍內用前進BlendSpace，否則用后退BlendSpace，上圖紅框部分是兩個BlendSpace實際采用區域，

該狀態機還有個分支用于輸出下蹲移動動作，移動速度是恒定的，所以用了1D BlendSpace做輸出，比較簡單，不展開細說，

另外整個狀態機很多分支都有RF變數身影，該變數意思是移動影片是以左腳還是右腳在前，因此以RF變數可以分出了兩種BlendSpace，

移動傾斜

根據Lean Gounded X/Lean Gounded Y變數可以BlendSpace出一個身體向左右，前后傾斜一定角度的Pose，將其與移動影片做融合，就能表現出角色傾斜奔跑的效果，這個融合主要是為了體現角色速度感，角色速度，每幀速度角度變化值決定左右傾斜度，每幀角色速度變化值決定前后傾斜度，

正常停止移動影片

從Moving到NotMoving有兩種過渡，一種是正常停止移動的Stop影片，一種是奔跑急停的Pivot影片，Stop影片細分了多種狀態下的Stop影片，這里只看普通跑動下的Stop影片，

可以看到Stop影片是由2個BlendSpace輸出的，根據左腳在前，還是右腳在前，決定使用哪一個BlendSpace，兩個BlendSpace都接收Feet Position X和Feet Position Y作為輸入，

Feet Position X：表示Foot Direction，Foot Direction的范圍是[-90,90]，表示移動方向，
Feet Position Y：表示Foot Position，Foot Position的范圍為[-1,1]，其中左腳邁到最前時為-1，右腳邁到最前時為1，兩腿剛好交叉時為0，看上圖可知當Foot Position>0時，即右腳邁在前面時，用ALS_N_Stop_RF BlendSpace，否則用ALS_N_Stop_LF BlendSpace，

Feet Position X、Feet Position Y兩個變數值的更新很巧妙：所有的移動Animation Sequence上，都添加了名為FootDirection，FootPosition的Curve，記錄了每一幀的腳步位置和移動方向，當進入Stop狀態時，通過GetCurveValue介面獲取FootDirection，FootPosition的Curve值，再設定給Feet Position X、Feet Position Y，

Stop的BlendSpace基本就是采樣了人物在左移，右移，前行3個方向下，左腳或右腳在前的腳步回收影片，可以讓人物在停止移動時，有一個明顯收住腳部，回撤站立的表現，增強人物運動真實感，

奔跑急停影片

增加奔跑急停的Pivot影片用于人物跑動中大幅度轉向的過渡，進一步強化運動速度感，判斷移動輸入方向與人物移動方向的Yaw角度大于100（基本就是反向移動）時，人物在地面上且速度處于一定范圍內，即進入Pivot過渡，

原地轉身影片

插件沒有在AnimGraph里播放原地轉身影片，而是在EventGraph里呼叫Play Montage介面播放TurnInPlace的Montage影片，在AnimGraph里添加TurnInPlace Slot輸出轉身影片，

看下影片樹的EventGraph里呼叫轉身影片的介面：

決定是否播放轉身影片主要靠以下3個變數：

Turning In Place：當前是否正在轉身
Turning Right：當前是否正在向右側轉身
Aim Yaw Delta：當前幀鏡頭朝向與人物朝向的Yaw角變化值

基本邏輯是轉動鏡頭Yaw角大于90度轉身或180度轉身閾值時，且當前沒有在轉身，則播放轉身影片；當前已在轉身中，只可以打斷往相反方向轉身，這樣避免持續往一側轉動鏡頭時，播轉身影片程序中，出現打斷影片，重頭播轉身影片的情況，

轉身影片只有腿部動作，不帶人物轉向，人物轉向通過TurnInPlace_AnimNotifyState影片事件每幀設定，

每幀設定轉向用一個EaseInOut曲線來控制，獲取上一幀跟當前幀的曲線差值，即為當前幀人物轉向Yaw角偏移值，

最后，TurnInPlace_AnimNotifyState影片事件還需每幀判斷當前人物是否有移動，移動則打斷轉身影片，

空中動作

起跳動作

起跳動作用了基礎起跳動作，融合BlendSpace，讓起跳呈一定程度的Lean傾斜，表現出人物往對應方向起跳的感覺，其中Lean In Air值由跳躍Z軸速度和移動速度決定，Direction為移動速度方向，

下落動作

下落動作有兩個階段動作，一開始是正常騰空下落，隨著下降速度變大，逐漸Blend為手腳胡亂擺動的動作，用一個EaseInOut曲線控制Blend速度，

下落動作同樣融合BlendSapce做Lean傾斜，并且會計算著地時機，在快著地前融合一個人物手臂上揚再下落的動作，強化落地沖擊感，該融合靠Land Prediction Alpha變數控制，該變數在人物下落程序中，每幀以腳部為圓心做球形檢測，得出球形與地面的相交最短距離，歸一化到[0,1]的范圍值來做影片融合，

落地影片

人物跳躍著地后播放一個著地過渡影片，當然如果在此期間人物移動則打斷過渡影片，

頭部AO

頭部AO比較簡單，在MainStateMachine影片輸出后，根據人物朝向和攝像機朝向計算出AimOffset值，做一個[-180,180] Yaw角，[-90,90] Pitch角范圍的AO處理，

Ragdoll系統

人物死亡后會切換為Ragdoll狀態，影片狀態機比較簡單，根據人物是否處于奔跑，播放手腳亂擺或者身體蜷縮的影片，Ragdoll系統更多在于藍圖里的邏輯處理，

切換Ragdoll狀態

進入Ragdoll狀態，做以下處理：

1. 角色骨骼運動改由Skeletal Mesh，pelvis節點下的骨骼自行進行模擬物理
2. 角色MovementMode切為None，讓MovementComponents不再更新角色位置邏輯
3. 開啟角色網格碰撞，禁用角色膠囊體碰撞

每幀Update做以下處理：

1. 判斷人物Z軸速度小于-4000時，關閉重力模擬，防止下落速度過快導致剛體穿透
2. 更新Ragdoll的速度，更新pelvis bone的位置和旋轉
3. 更新Actor的位置和旋轉，因為Ragdoll狀態下MovementComponent不再更新角色位置邏輯了，得根據pelvis bone的位置和旋轉計算并設定Actor的位置和旋轉，否則攝像機就不能正確跟隨角色Ragdoll了，

這里還要注意一些細節，不能直接以Pelvis Bone來設定Actor位置，如果直接設定，當角色Ragdoll倒地后，膠囊體其實有一半嵌入了地面，當退出Ragdoll時，膠囊體會瞬間彈出地面，導致人物抖動，解決辦法是從Pelvis Bone往Z軸負方向（地面）做SapsuleHalfHeight距離的射線檢測，SapsuleHalfHeight減去射線碰撞距離得出Z軸補償值，再取Pelvis Bone位置作為Actor位置，目的就是保證膠囊體不嵌入地面，

角色膠囊體始終只旋轉Yaw角，Roll、Pitch角為0，因此Actor旋轉只取Pelvis旋轉的Yaw角，這里注意角色正面/背面倒地后，起身的朝向剛好是相反的，通過判斷Pelvis的Roll角是否大于0，翻轉Yaw角180度即可，

退出Ragdoll狀態

退出Ragdoll則要恢復進入Ragdoll時所作的改動，并且播放起身影片：

1. 取消骨骼模擬物理
2. 視乎角色是在地面還是空中，將Movement Mode切換為Walking/Falling
3. 開啟角色膠囊體碰撞，禁用角色網格碰撞
4. 設定角色Movement當前速度為Ragdoll速度
5. 呼叫Anim Instance的Save Pose Snapshot介面，給當前角色影片保存快照，在影片機的退出Ragdoll狀態里，輸出這個快照
6. 判斷角色面部朝上/朝下，播放對應起身影片，角色以快照Pose開始起身站立

腿部IK

插件的腿部IK實作也挺不錯，單獨用了一個后處理影片樹來實作，跟前面其他功能解耦，實作邏輯很清晰，也設計了一些變數來控制調整腿部IK效果，

插件的腿部IK實作了兩個基本功能：

1. 左右腿自適應不同地面高度，站立在凹凸不平的地表上，左右腿能貼著地面站立，避免出現腿部懸空問題，
2. 左右腳掌自適應不同地面角度，站立在斜坡上，人物腳掌要轉至與斜坡保持平行，緊貼地表，

簡單介紹下IK（Inverse Kinematics，逆向運動學）原理，它是與FK（Forawrd kinematics，正向運動學）
截然相反的一種骨骼定位技術，FK通過自頂向下確定每根骨骼的位置和旋轉，確定整個骨架形態，IK則是給某根骨骼指定位置旋轉，并自動計算其父骨骼的位置旋轉，從而確定骨架形態，

IK計算需要兩個引數，Joint Target和Effector，簡單理解，Effector其實就是我們想要修改的骨骼的目標點，由此引發的其父骨骼到Base骨骼之間的位置變動，則由IK自動計算出來，已知Base骨骼位置不變，如果只有Effector引數，IK計算出來的骨骼位置，在三維空間是有無數解的，因此還需要Joint Target引數，它相當于是一個參考點，讓IK計算得出的各骨骼位置盡量靠近這個參考點，

UE4的Anim Graph提供了Two Bone IK節點用于處理IK，需要設定進行IK的目標骨骼、Effector、Joint Target，

• 目標骨骼自然是兩條腿部骨骼：foot_l，foot_r，

• Effector以兩條腿部IK骨骼作為參考：ik_foot_l，ik_foot_r，這是官方骨架本身自帶的IK骨骼，除了腿部IK骨骼，官方骨架還自帶了手部IK骨骼，ik_hand_l，ik_hand_r，IK骨骼只是用于定位IK目標點的，并沒有系結影片，

• 由于腳部屈伸時，膝蓋肯定是朝前彎曲的，所以插件給Skeleton的左右腳各添加了從thigh（大腿）到calf（小腿肚）的虛擬骨骼：VB thigh_l_calf_l，VB thigh_r_calf_r，并將骨骼設定在膝蓋正前方30個單位的位置，作為Joint Target，

下圖就是Two Bone IK節點的對應設定：

游戲里隨著人物的運動，腿部IK Effector是一直在變的，因此需要每幀計算Effector值，影片藍圖的計算程序如下：

1. 首先雙腿分別向Z軸負方向（地面）做射線檢測，得出雙腿距離地面距離，看哪條腿距離地面更遠，將其距離值作為Pelvis Offset，把Pelvis（盆骨）骨骼向下移動Pelvis Offset單位，實際上也就是將整體人物骨骼下移，這樣靠下面的那條腿就站立在地面上了
2. 接著計算兩條腿的Effector坐標，從而讓腿抬到地面位置，雙腿距離地面的距離，分別設為兩根IK骨骼的Z軸值，即可得出兩條腿Effector點的坐標
3. 接著計算兩條腿的Effector旋轉，從而讓腳掌旋轉到適合角度，緊貼地面站立，根據射線與地面的碰撞點法線，可計算出碰撞地面的朝向，只取地面朝向的Roll角，Pitch角分量設給IK骨骼（Yaw角不用調整，讓腳掌始終朝前），

得出以上關鍵數值后，Anim Graph里通過Transform（Modify）Bone節點修改各個關鍵骨骼資料，最后再通過Two Bone IK節點做IK計算：

這里還有個細節，每幀計算得出的數值與上一幀的數值進行插值后，再設定給骨骼，不做插值的結果就是人物上下樓梯會明顯抖動，就像下圖一樣：

結語

插件本身的功能已經挺豐富了，拿來做簡單的FPS、ACT游戲已經足夠，插件本身的設計架構也比較清晰合理，適合在此基礎上做重構，增加諸如持槍、匍匐等動作，就算不直接使用插件，插件諸如原地轉身、腳部IK的實作也是值得參考借鑒的，

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