[C++/UE5] 使用 Spline 進行 AI 巡邏路線開發的經驗分享

最近在工作上接到一個需求，是要幫策劃提供配置 Npc 巡邏路線的流程。最開始因為策劃那邊沒有特別複雜的要求，只要能在不同點之間巡邏就行，所以我先做了一版最直觀的方案：在場景裡先放好幾個點，然後讓 Npc 根據一組 Actor 列表，依照順序模式 1 -> 2 -> 3 -> 1 -> 2 -> 3，或者 YoYo 模式 1 -> 2 -> 3 -> 2 -> 1，在這些巡邏點之間來回移動。

最初的做法

這個方法雖然能用，跑起來也沒什麼問題，但後續給策劃配置時其實很不方便。比如在 UE 的 Outliner 裡面選一堆 Actor，並不是一種很理想的工作流；而且 Npc 上用來存巡邏點的列表變量，也不像 Unity 那樣可以直接把多個對象一起拖進去，很多時候還是得一個一個設。

另一個問題是，這種配置方式本質上只適合做點到點的直線移動，很難做出沿著彎道前進的感覺。所以後來 Leader 就讓我去找找看，能不能借用類似道路、河流那一套曲線工具，來處理這類巡邏路線的配置。

為什麼改用 Spline

最後我很快就想到可以試 Spline。Spline 的核心能力，本來就是在場景中放多個點，再根據點和點之間的 tangent 值自動生成曲線段。除了可以直接拖動控制點、用 Alt 快速拉出新點之外，它還能提供幾個這次剛好很需要的接口：

取得某個 Spline Point 的位置
取得某個 Spline Point 對應的累積距離
根據距離反推出曲線上的具體 Location

最重要的是，它會把整條路線直接可視化顯示出來，對配置和調試都非常友好。

所以我建了一個 Actor 容器，加上一個 Spline 組件，再隨手放幾個點，效果大概就會像這樣：

接著我透過 SplineComponent.GetLocationAtSplinePoint(Index, SpaceType) 取得每個巡邏點的世界座標，再把這些點帶回原本點到點的移動方案裡，就先完成了最基本的 Spline 巡邏配置。

FVector AYLSplinePath::GetPatrolPointLocationByIndex(
	int Index,
	ESplineCoordinateSpace::Type SpaceType
)
{
	ConfirmSplineComp();
	if (SplineComp)
	{
		int SplinePointCount = SplineComp->GetNumberOfSplinePoints();
		if (Index >= 0 && Index < SplinePointCount)
		{
			return SplineComp->GetLocationAtSplinePoint(Index, SpaceType);
		}
	}

	return FVector::ZeroVector;
}

沿著曲線移動

但既然都已經有了完整的路線，單純直線移動就不太夠用了。Spline 雖然能提供每個點的位置，卻沒有直接幫你把 Actor 沿著某一段曲線平滑移動的現成接口，所以這一段還是得自己補。

我當時大致整理出兩種做法：

用 Timeline，讓 Actor 在相鄰兩個點之間做插值移動。
把相鄰兩點之間切成多個子線段，再讓 Actor 依序移動這些子線段上的位置。

參考資料

第一種方法有點太重，而且會綁住 Timeline。我這裡做的是 Npc 的巡邏邏輯，中途可能隨時被打斷、切回其他行為，不是那種只要一路循環播完就好的單純演出，所以最後我選的是第二種思路。

平均切分的問題

但在第二種做法裡，還有一個關鍵問題：子線段要怎麼切，才能看起來不像在折線上跳點？

如果只是用平均分布的方式：

FVector FirstLocation = GetPatrolPointLocationByIndex(PrevIndex, SpaceType);
FVector NextLocation = GetPatrolPointLocationByIndex(CurrIndex, SpaceType);
float Distance1 = SplineComp->GetDistanceAlongSplineAtSplinePoint(PrevIndex);
float Distance2 = SplineComp->GetDistanceAlongSplineAtSplinePoint(CurrIndex);
float DistanceDiff = Distance2 - Distance1;
float Step = DistanceDiff / SplitCount;
TArray<FVector> Results;

for (int i = 0; i < SplitCount; i++)
{
	FVector TargetPos = SplineComp->GetLocationAtDistanceAlongSpline(
		Distance1 + Step * (i + 1),
		SpaceType
	);
	Results.Add(TargetPos);
}

那麼在兩個控制點之間比較直的區段，效果其實還不錯；但如果來到曲線起點和終點附近，也就是彎曲最明顯的地方，就還是很容易看出直線逼近曲線的痕跡。控制點距離越遠、切分數量越少，這個問題就越明顯，因為第一段和最後一段子線段，很可能沒有把頭尾的彎曲區域覆蓋好。

用 SmoothStep 改善分布

為了讓切分更集中在起點和終點附近，我後來找到 SmoothStep 這個常見的 S 型函數：

在我的情況裡，可以先把 i / (SplitCount - 1) 當成 0 到 1 之間的 Alpha，再透過 3x^2 - 2x^3 去重新映射。這樣一來，越靠近起點和終點的位置，子點分布就會越密；中間區段則相對放鬆，整體看起來會更貼近真實曲線的彎曲方式。

我最後的做法大致如下：

TArray<FVector> AYLSplinePath::SplitMidPointsBetweenPatrolPoints(
	int PrevIndex,
	int CurrIndex,
	int SplitCount,
	ESplineCoordinateSpace::Type SpaceType
)
{
	ConfirmSplineComp();
	TArray<FVector> Result;

	if (SplineComp && SplitCount > 1)
	{
		int SplinePointCount = SplineComp->GetNumberOfSplinePoints();
		if (
			PrevIndex >= 0 && PrevIndex < SplinePointCount &&
			CurrIndex >= 0 && CurrIndex < SplinePointCount
		)
		{
			FVector FirstLocation = GetPatrolPointLocationByIndex(PrevIndex, SpaceType);
			FVector NextLocation = GetPatrolPointLocationByIndex(CurrIndex, SpaceType);
			float Distance1 = SplineComp->GetDistanceAlongSplineAtSplinePoint(PrevIndex);
			float Distance2 = SplineComp->GetDistanceAlongSplineAtSplinePoint(CurrIndex);
			TArray<float> NormalizedDistances;

			for (int i = 0; i < SplitCount; ++i)
			{
				float Alpha = static_cast<float>(i) / static_cast<float>(SplitCount - 1);
				Alpha = 3 * FMath::Pow(Alpha, 2) - 2 * FMath::Pow(Alpha, 3);
				NormalizedDistances.Add(Alpha);

				float Distance = FMath::Lerp(Distance1, Distance2, Alpha);
				FVector Location = SplineComp->GetLocationAtDistanceAlongSpline(
					Distance,
					SpaceType
				);
				Result.Add(Location);
			}

			Result.Insert(FirstLocation, 0);
			Result.Add(NextLocation);
		}
	}

	return Result;
}

最後，這是 SplitCount = 16 時的效果：