用Scratch实现3D恐怖游戏：射线投射与迷宫渲染全解析

在 Scratch 里做一款 3D 恐怖游戏，听起来像是把 3D 建模、图形渲染和关卡设计全部塞进积木编程工具。实际做完后会发现，Scratch 本身虽然是 2D 舞台引擎，但只要理解一种叫“射线投射”的渲染思路，完全可以在不加载任何外部素材的情况下，渲染出第一人称 3D 迷宫。恐怖感的核心也不再是模型有多精细，而是视野受限制、墙壁突然出现、声音突然变化。下文会以“迷宫探索恐怖游戏”为目标，讲解从地图设计、摄像机移动、射线投射渲染到碰撞检测的完整实现，并提供可以在 Scratch 中逐步复现的变量、函数结构和伪代码。这个项目适合已经熟悉 Scratch 基础积木、想挑战更高难度作品的读者，也能作为理解 3D 图形原理的入门案例。

1. 先搞清楚：Scratch 的 2D 舞台如何呈现 3D 世界

Scratch 的舞台本质是平面坐标系，一个角色只有 x 坐标和 y 坐标，没有 z 坐标。所谓“3D 游戏”，并不是在 Scratch 内部真的创建了一个三维空间，而是通过数学计算，把三维世界里的位置投影到二维屏幕上。只要投影结果足够合理，玩家就会产生“我在走 3D 迷宫”的错觉。

1.1 Scratch 是 2D 引擎，3D 要靠“视觉欺骗”

做 3D 效果常见的方案有几种：

• 射线投射（Raycasting）：从摄像机位置向屏幕的每一列发射一条射线，射线碰到墙后就停止，用墙的距离决定这一列墙画多高。经典游戏《德军总部 3D》就是这种思路。
• 多边形投影：把 3D 模型的顶点投影到 2D 平面上，再用画笔把顶点连起来。适合做低多边形风格的 3D 模型。
• 伪 3D 精灵：用大小变化、位置偏移和遮挡关系模拟远近，适合做赛车类或跑酷类小游戏。

恐怖迷宫更适合射线投射。因为射线投射非常适合表现走廊、墙角、房间和转角，而“转角遇到怪”正是恐怖游戏最常见的玩法。射线投射的实现不算复杂，计算量也小，在 Scratch 的积木循环里可以跑得动。

1.2 射线投射的核心公式：一列像素对应一条射线

在射线投射中，屏幕不是按“像素点”去画的，而是按“竖线”去画。假设舞台宽 480 像素，渲染分辨率设置成 120 列，那么每列宽度就是 4 像素。每一列对应一条射线，这条射线从摄像机位置出发，插入迷宫地图中。

射线投射的几个关键变量：

• 摄像机位置：posX、posY。
• 摄像机方向向量：dirX、dirY。
• 投影平面向量：planeX、planeY。

方向向量决定玩家朝哪个方向看，投影平面向量决定视野宽度。对屏幕第 x 列，可以算出这一列对应的射线方向：

cameraX = (2 * x) / W - 1 rayDirX = dirX + planeX * cameraX rayDirY = dirY + planeY * cameraX

射线进入地图后，沿着网格一格一格前进，直到撞到墙。撞墙后得到一个垂直距离 perpDist，墙的高度就由这个距离决定：

lineHeight = H / perpDist

这里的 H 是屏幕高度。距离越远，height 越小，墙看起来就越矮；距离越近，墙越接近整个屏幕。这种“距离越远，物体越小”的投影关系，就是 3D 感的来源。

特别要注意，计算墙高时用的是“垂直距离”，不是射线从摄像机到墙的直线距离。如果使用直线距离，左右两侧的墙会向外膨胀，画面出现明显的鱼眼变形。垂直距离可以消除这种变形。

1.3 恐怖感从哪里来：视野、明暗和声音才是重点

很多初学者以为恐怖游戏必须有精细的贴图和复杂的 3D 模型。在 Scratch 项目里，真正决定恐怖感的是三件事：视野限制、明暗层次、声音节奏。

在后续实现中，渲染部分只负责“三维空间感”，气氛部分靠黑幕、视野截断和广播事件完成。这样设计的好处是代码清晰，玩家体验也不会因为缺少贴图而崩塌。

2. 素材与地图准备：把迷宫变成程序读得懂的数据

做射线投射前，必须先有一张“逻辑地图”。地图不是图片，而是程序可以逐格读取的数据。用 Scratch 的列表保存地图，是最直接的做法。

2.1 环境准备：哪套 Scratch 环境最适合做渲染实验

建议使用 Scratch 3.0 官方在线编辑器或桌面版，并手动添加“画笔”扩展。射线投射会大量使用画笔的“落笔”“抬笔”“移动”和“全部擦除”积木。

如果网络不稳定，也可以使用 Scratch 桌面版。离线版和在线版在画笔积木上基本一致，不会影响项目迁移。

2.2 地图矩阵设计：0 是路，1 是墙，2 是门

地图可以用一个字符串列表表示。每一行是一个字符串，每个字符代表一个格子。比如：

1111111111 1000000001 1011110101 1010000101 1010111101 1000000001 1010000001 1111111111

在这个迷宫地图里，“1”表示墙，“0”表示可以走的空地。最外面一圈全是“1”，保证玩家不会走出地图范围。

在 Scratch 中，可以把每一行作为列表mapRows的一项，读取某个坐标的字符时用：

第 (mapC) 个字符，第 (mapR) 项

具体来说，如果玩家位置是 posX、posY，那么它对应的格子列号和行号可以这样计算：

mapX = 向下取整 (posX) + 1 mapY = 向下取整 (posY) + 1

因为 Scratch 列表下标从 1 开始，而 posX 从 0 开始，所以计算时要加 1。下面示例地图中，如果玩家初始位置是 (1.5, 1.5)，对应的地图格子是第 2 行第 2 列，字符是“0”，玩家就能正常移动。

地图设计要注意几点：

• 每行字符数必须一样，否则读取会错位。
• 边界必须是墙“1”。
• 玩家出生点不能是墙。
• 如果想做“门上锁”，可以再加字符“2”，在移动逻辑里单独判断。

2.3 精灵与舞台设计：只有一个观察者，其余靠画笔

这个项目里的“角色”不一定要是一个可见的小猫精灵。射线投射依靠画笔在舞台上画墙，所以可以专门用一个画笔精灵负责绘制。

项目结构可以设计成：

• 画笔精灵：隐藏状态，执行所有射线投射和画线操作。
• 黑幕精灵：一个全屏的黑色造型，用“虚像”效果控制透明度，用来压暗画面。
• 怪物精灵：平时隐藏，广播“惊吓事件”后突然显示。
• 舞台背景：纯黑色。
• 变量和列表：统一放在画笔精灵中，方便管理。

隐藏画笔精灵后仍然可以使用画笔积木绘制内容，这是 Scratch 画笔的常用技巧。为了避免玩家看到精灵自身，建议所有绘制精灵都设为隐藏。主循环里也不需要真的“移动角色”，只需要更新摄像机的变量值，然后重新绘制一帧。

3. 第一人称摄像机：移动、旋转和碰撞检测

“摄像机”在 Scratch 中不是一个精灵，而是一组变量。玩家的移动、转身、渲染，都在修改这些变量。理解了摄像机模型，后面的渲染函数才会顺畅。

3.1 摄像机变量：位置、方向、投影平面

一个完整的射线投射摄像机需要这些变量：

方向向量指向玩家“正前方”，投影平面向量定义了屏幕左右方向。当方向向量接近正 x 方向时，投影平面接近正 y 方向，两者保持垂直，视野才不会变形。

初始化伪代码：

定义 初始化摄像机 将 [posX v] 设为 (1.5) 将 [posY v] 设为 (1.5) 将 [dirX v] 设为 (1) 将 [dirY v] 设为 (0) 将 [planeX v] 设为 (0) 将 [planeY v] 设为 (0.66)

这里 planeY 设置为 0.66，对应大约 60 度到 70 度的水平视野。值越大，画面越宽，但边缘变形越明显；值越小，视野越窄，越像“望远镜”效果。

3.2 前后左右移动和旋转的数学公式

移动很简单：向前走，就是把摄像机位置沿方向向量移动一小段距离。

posX = posX + dirX * speed posY = posY + dirY * speed

向后走就是用减号，向左扫射可以用投影向量的反方向，向右扫射可以用投影向量的正方向：

posX = posX - planeX * speed posY = posY - planeY * speed

旋转比较复杂。旋转时，方向向量 dir 和投影平面向量 plane 都要同时旋转。旋转公式如下：

oldDirX = dirX dirX = oldDirX * cos(角度) - dirY * sin(角度) dirY = oldDirX * sin(角度) + dirY * cos(角度) oldPlaneX = planeX planeX = oldPlaneX * cos(角度) - planeY * sin(角度) planeY = oldPlaneX * sin(角度) + planeY * cos(角度)

Scratch 的三角函数积木使用角度制，不需要手动转换弧度。左转和右转就是把“角度”传成正数或负数，具体正负方向可以在测试时调整。

定义 旋转摄像机 (旋转角度) 将 [oldDirX v]