直播回顧 - 快樂的Minecraft 我的世界 ECS快速開發

作者:Kelvin Lo

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受到了上次Mike大叔的ECS教學啓發，我用一場GameJam活動的時間來製作了一個快速呈現ECS強大的簡單專案-Minecraft我的世界，當然沒辦法還原像是紅石系統這類高難度的功能，基本上就是挖礦和放石頭這兩個主要功能，重點在於如何利用ECS產生廣大的地形，以及體現ECS所提倡的要點-Performance by Default，在不考慮程式及任何優化的情況下，做出來的場景還能保有很好的效能。

Unity從2018開始導入ECS框架，紀錄這篇文章之時ECS仍然是體驗版，代表每一次的更新都會加入非常多的新功能，因此本篇文章僅算是我對當前ECS(Unity 2018.2.6, Entities 0.0.12)的體驗心得報告。

為什麼ECS的效能會超越GameObject+MonoBehaviour那麼多呢？我歸類為兩個要點，傳統方式的記憶體管理是分散式的，即物件和它身上的組件(Component)並非在同一個記憶體區段，每次存取都非常耗時。而ECS會確保所有的組件資料(Component Data)都緊密的連接再一起，這樣就能確保存取記憶體資料時以最快的速度存取。



這裡所提到的傳統組件Component和ECS的C，即Component Data雖然名字很像但卻是很不同的概念，舊的Component會乘載著不同的資料與邏輯功能，不同的Component代表著不同的功能。但在ECS裡，Component只會儲存單純的Data，不會有任何的邏輯運算，所有的邏輯運算必須拆離到S，即System裡面去實現。

也因為傳統的Component為了方便使用，整合了所有可能會用到的變數，不管你用得到或是用不到。好處就是一個Component可以解決很多事情，比如Transform，帶有Position, Rotation, Scale，透過這些參數很容易對物件處理位置或移動縮放處理。但這些你用不到的變數對於記憶體來說一點也不友善，尤其時物件非常大量時。

因此ECS把很重要一個概念就是管理只需要的Data即可，例如我的物件只需要處理渲染和移動，我當然就不需要紀錄Scale資料。





再來說說幾種方式產生Entity物件：



可以看到這張圖中Hierarchy裡只有一個方塊物件，但畫面卻有3個方塊，原因是左邊兩個是透過ECS產生的Entity物件，會獨立顯示在Entity Debugger內。雖然目前是分開顯示的，但我們最終目的是重新打造一個讓開發者接受的一個統一編輯環境。

而左邊兩個Entity物件分別採用兩種不同的方式產生，整段程式如下：



我先宣告了一個EntityManager管理器manager，然後在它底下生成了一個Archetype，這種EntityArchetype能確保存放在裡面的Component Data都緊密的相連，當你一次性產生大量的Entities並給予各種邏輯運算時，這種結構在記憶體與快取之間的移動效能直逼memcpy。

從41-49行程式就是基於Archetype結構在裡面生成一個Entity並給予座標資料與渲染資料，即指定渲染哪個Mesh和Material。最後這個方塊只帶有座標Position, 自訂的BlockTag和用來渲染的MeshInstanceRenderer三個Component Data遠遠比傳統的Game object資料少很多。這種產生方式沒有連結任何Unity編輯器上的功能，只是單純的產生Data和處理Data，可以稱為Pure ECS。

54-58行程式負責渲染最左邊的方塊，為了讓開發更直覺我希望產生Entity時引用一個Prefab，雖然Prefab是傳統Game Object，但在實例化成Entity時，Unity會自動把跟ECS無關的Component拆離，只留下Component Data產生Entity物件。這種跟Unity整合的流程，可以稱為Hybrid ECS，也是Unity在整合ECS的主要路線。

這個範例還用了一些新的功能例如新的NativeArray和定義像[RuntimeInitializeOnLoadMethod(RuntimeInitializeLoadType.BeforeSceneLoad)]
這樣的Attributes屬性來確保函數能夠運行在想要的順序上。

如何產生世界地形

為了要讓地形能更像Minecraft的產生方式，它必須符合幾個要點：無接縫，無限大，亂數地形等等，採用Perlin noise處理這種地形是在適合不過了，Perlin noise可以有規則的亂數產生一個波形資料，作為世界的高度資料參考非常適合，我可以先產生一個足夠大的高度圖然後只用一小部分即可，如果未來要延伸地形只需要繼續生成它就會不斷延伸下去不會破掉。







具體把這個高度資料用方塊選染出來大概會長這樣



只留下高度0-6號的方塊，感覺世界形狀就出現了



從程式針對不同高度的Entity給予不同的Material資料，就可以產生我的世界，針對高度0的地表，也可以隨機產生花草或樹木。



嘗試產生了一個沒有任何優化處理，17萬個方塊的我的世界還能保持在40FPS以上，心裡有些激動。

產生物理地表

由於Unity ECS尚未支援物理系統，因此目前要實現物理要自己寫碰撞邏輯，或是沿用舊的Collider來檢測碰撞，作為一個Gamejam專案，自己寫是不太實際的而且我預期很快的Unity ECS會支援物理系統，因此我決定採用最簡單的方法，每個Entity方塊都加上一個Collider，一方面可以作為地板一方面也可以檢測挖掘和放置方塊。

這是一個全部方塊的座標同時都加放一個Collider物件的地形，除了第一幀稍微耗時之外，運行時並沒有帶來太多的消耗。



有了地形就可以放上大家熟悉的FPS Character第一人稱角色，繼續處理方塊的挖掘和放置。

製作放置方塊比挖掘方塊來得簡單，我們從鏡頭發射一個Raycast，打到任何Collider就依照當下normal的方向產生一個Collider與一個Entity物件，並依照選擇的貼圖指定給該Entity帶有的MeshInstanceRenderer內的Material即可。程式如下：



但是挖掘方塊就沒那麼容易了，主要是因為當前的Entities版本尚未支援物理系統，因此定位場景內眾多物件中某一個entity是有困難的，相信未來這不會是個問題，但現在我必須寫很多程式來實現支援ECS的Raycast，因此我採用另外的思維來實現。



首先我在Raycast打到的Collider同樣的座標產生一個只帶有一個DestroyTag的Entity物件，它除了座標之外沒有任何渲染資料，我就可以用System來檢測移除同座標的方塊。同時我也先移除了這個Collider。

我們上面聊了很多關於ECS裡面的E(Entity)和C(Component Data)但一直沒有提到S(System)，現在我們要寫一個System來處理刪除方塊的系統。但在之前我想討論這個S和傳統的有什麼不同。傳統的腳本你必須要放到場景內才會隨著物件的Update, FixUpdate或OnCollisionEnter各種方法來運行，但ECS的System是不分場景的，項目內所有的場景只要帶有Entity物件System都會有反應，因此不需要特別把System腳本放入場景物件內。



當然這樣做的好處就是所有的相關系統你可以一隻腳本解決，而不是每個物件有各自的Update方法處理，造成物件數量一大就會影響效能。System不在乎你是一顆子彈或是一隻怪物或是一個角色，只要符合System過濾條件，它都會執行System內的邏輯。

我寫了一個Destroy System用來檢測那些Entity必須要刪除，


System有兩個主要的結構，一個是13-38行代碼的Query，我分別查詢哪些Entity帶有BlockTag和Position，哪些帶有DestroyTag和哪些是地表的花草，然後在OnUpdate內比對哪些事需要刪除的Entity方塊，並檢查上方是否帶有花草需要一並移除。因此這裡總共需要移除的物件有四個：該位置的Entity方塊、作為檢測的Entity物件、地上的花草和BoxCollider物件。



System的OnUpdate也是每幀執行的，你可以從Entity Debugger內看到每個系統的耗時，雖說System是全專案執行的，但你也可以透過API在不同的場景開關這些System。



以上是本次直播快樂的Minecraft ECS製作分享重點內容，後續我們還會有更多的報導。 感謝各位 ！