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[技术] Unity自定义粒子顶点流

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发表于 2019-1-14 04:00:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
来自加拿大游戏特效大神Mirza Beig的粒子系统的系列教程,简单易懂,从而受到开发者欢迎,不少开发者按照教程动手实践出精美的特效场景。今天我们将分享新的教程-Unity自定义粒子顶点流。

在本教程中,我们将学习如何在Unity粒子系统中使用自定义顶点流(Vertex Streams)。顶点流通过粒子系统的Renderer模块来设置,它可以将额外的单个粒子数据传递到着色器。

着色器可以使用该数据,为系统中的每个粒子创建各种独特的效果,所有粒子都会在GPU上以极快的速度处理。

最终的效果场景如下图所示,虽然本文实现的效果不是非常惊艳,但它为后续教程中学习创作精美特效奠定基础。

01.gif


Part 1:基础部分
首先,我们使用Unity模板创建一个简单的无光粒子着色器。在项目窗口中单击右键,选择Create -> Shader -> Unlit Shader。

02.png


我们将该文件命名为Simple Particle Unlit,代码如下图所示。
[C#] 纯文本查看 复制代码
Shader "Unlit/Simple Particle Unlit"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 实现模糊效果
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                UNITY_FOG_COORDS(1)
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 采样纹理
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                // 应用模糊效果
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}


创建新材质,指定着色器,然后设置纹理属性为默认粒子纹理。

03.png


现在我们创建粒子系统,指定该材质到粒子系统Renderer模块的Materials字段。

04.png


我们会得到下图的效果。

05.png


图中的效果存在一些透明度问题,我们稍后会解决这些问题。

在相同粒子系统的Renderer模块中,勾选Custom Vertex Streams启用自定义顶点流,然后单击右下方的“+”按钮,添加Lifetime分类中的AgePercent流。

AgePercent是1D值,表示标准化范围[0.0, 1.0]内粒子的“生命周期”。0.0表示粒子生成时间,0.5表示粒子生命周期终点,1.0表示粒子消逝时间。

06.jpg


我们忽略顶点流与着色器输入不匹配红色警告信息,现在将顶点流传给着色器,我们需要接收并处理顶点流的数据。

在顶点流显示中,可以注意到数据已被紧凑地打包了。实际2D UV坐标位于TEXCOORD0.xy,AgePercent数据位于TEXCOORD0.z。要记住这些信息,以便我们知道在着色器中何处以及如何获取此数据。

07.jpg


每个texcoord都可以是4D向量,即CG/HLSL代码中,以[x, y, z, w]形式保存的float4变量。如果我们要添加额外的1D流,它将位于TEXCOORD0.w。如果数据比当前texcoord的可用空间大,它会作为余下部分移动到下一个texcoord,例如texcoord1或texcoord2等。

下图是相应的设置案例,里面没有添加这些顶点流。

08.png


我们可以看到,InverseStartLifetime(1D值)被添加到TEXCOORD0.w,Center(3D值)被添加到TEXCOORD1.xyz,Rotation3D(3D值)一部分被添加到TEXCOORD1 (w)。

另一部分被添加到TEXCOORD2 (xy)。(w|xy)表示xy属于下一个texcoord,即TEXCOORD2,尽管它显示TEXCOORD1.w|xy。因此Velocity从TEXCOORD2.zw开始,而Rotation3D有一部分存在TEXCOORD1.xy中,Velocity也有一部分存在TEXCOORD3 (x)中。

这可能有点难理解,因为Rotation3D的xyz值存在TEXCOORD1.w(Rotation3D的x)和TEXCOORD2.xy(Rotation3D的yz)中。它类似对Velocity中xyz的处理,Velocity的xyz存在TEXCOORD2.zw (xy)和TEXCOORD3.x (z)中。

现在关注AgePercent,回到我们的自定义着色器,开始进行处理。

该着色器只处理TEXCOORD0的x和y以获得实际纹理的UV坐标。AgePercent位于TEXCOORD0.z,因此我们需要在顶点输入和输出结构,分别为appdata和v2f将float2改为float3。

查看下面的代码,了解改动内容。
[C#] 纯文本查看 复制代码
struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    float3 uv : TEXCOORD0;
};

struct v2f
{
    float3 uv : TEXCOORD0;
    UNITY_FOG_COORDS(1)
    float4 vertex : SV_POSITION;
};


接下来,我们需要在着色器的顶点部分初始化UV,使UV在被传递到片段部分前包含合适的数值,这些“部分”其实是一个.shader文件中的顶点着色器和片段/像素着色器。在栅格化前,先处理顶点操作。
[C#] 纯文本查看 复制代码
v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);               

    // 初始化当前uv.z(包含粒子的寿命百分比) 
    o.uv.z = v.uv.z;

    UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
    return o;
}


最后在片段部分,即给对象上色的像素着色器部分,我们可以利用该数据。下面代码中,我们根据粒子寿命,使用该数据向纹理(col)的粒子插补红色。
[C#] 纯文本查看 复制代码
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // 采样纹理
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
 
    float particleAgePercent = i.uv.z;
    float4 colourRed = float4(1, 0, 0, 1);

    // 根据粒子寿命百分比,将纹理颜色插值为红色
    col = lerp(col, colourRed * col.a, particleAgePercent);

    //  应用模糊效果
    UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
    return col;
}


经过修改后,以下是完整的着色器代码。
[C#] 纯文本查看 复制代码
Shader "Unlit/Simple Particle Unlit"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 实现模糊效果
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float3 uv : TEXCOORD0;
                UNITY_FOG_COORDS(1)
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;
    
        v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);

                // 初始化当前uv.z(包含粒子的寿命百分比)
                o.uv.z = v.uv.z;

                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 采样纹理
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

                float particleAgePercent = i.uv.z;
                float4 colourRed = float4(1, 0, 0, 1);

                // 根据粒子寿命百分比,从纹理颜色插值为红色
                col = lerp(col, colourRed * col.a, particleAgePercent);

                // 应用模糊效果
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}


我们得到了下图的结果,或许它并不惊艳,但这仅只是开始。

09.gif


Part 2:透明度,深度测试及渲染队列
继续下一步前,我们先解决之前出现的问题,从透明度开始。为了从输入纹理获取合适的Alpha值,只需添加混合模式即可。

我们可以选择常用命令,例如:加法(One One命令),Alpha混合(SrcAlpha OneMinusSrcAlpha)和Alpha混合预乘(One OneMinusSrcAlpha)。对黑色背景上纹理(例如默认粒子纹理)的最好选择是加法和预乘。

我们选择加法,因为它最直接,在黑暗场景中效果最好,并且和HDR 和 阈值泛光的结合效果很好,因为像素会通过加法互相叠加。
[C#] 纯文本查看 复制代码
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 100

Blend One One // 加法混合


返回到Unity编辑器,我们增大了粒子大小,以突出目前存在的一个显示问题。虽然粒子通过加法混合清楚地渲染了出来,渲染效果就像液滴或熔岩灯,但它们没有半透明效果,而且公告牌四边形的轮廓很清楚。

10.png


为了解决该问题,我们需要禁用深度测试。
[C#] 纯文本查看 复制代码
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 100

Blend One One // 加法混合
ZWrite Off //关闭深度测试


如下图所示,处理方法很有效。

11.png


下图是没有修改粒子大小时,应该呈现的效果。

12.png


虽然可能效果不太明显,但我们的着色器仍然会在场景中对其它透明对象进行排序,例如精灵。解决这个问题很简单,只需将材质上的渲染队列更改为透明层即可。

13.png


我们可以添加Queue = Transparent标记从着色器自动执行此操作。
[C#] 纯文本查看 复制代码
Tags { "Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Opaque" }


Part 3:顶点颜色和着色
下面我们来解决顶点流不匹配着色器输入的警告。

14.png


最简单的方法是用过在编辑器选择Color流,单击“+”旁边的“-”按钮,移除Color流,这样问题就解决了。

15.png


但是本文想说明,我们应该了解真正解决该错误,而不是简单的删除Color流。

熟悉Unity粒子系统的基础知识的开发者,应该知道我们可以定义所有粒子初始化时的起始颜色,生命周期颜色和随速度变化的颜色。在当前着色器中,这些设置没有任何效果,因为数据是通过COLOR顶点输入传递的。

这些警告实际在告诉我们,着色器中没有地方接收该数据,即使粒子系统已设置为发送数据。因此当我们移除它时,警告就消失了。如果在着色器中接收Color流,但并不发送该数据,我们也会得到相同的警告。

现在我们更新着色器,以便从粒子系统接收Color输入流。
[C#] 纯文本查看 复制代码
struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    fixed4 color : COLOR;
    float3 uv : TEXCOORD0;
};

struct v2f
{
    float3 uv : TEXCOORD0;
    UNITY_FOG_COORDS(1)
    float4 vertex : SV_POSITION;
    fixed4 color : COLOR;
};


然后我们将v2f struct和输入初始化到顶点部分。
[C#] 纯文本查看 复制代码
v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

    // 从保存在颜色顶点输入的粒子系统接收数据,并将该数据用于初始化颜色。
    o.color = v.color; 
    o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
  
    // 初始化uv.z(它保存了粒子寿命百分比)
    o.uv.z = v.uv.z;

    UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
    return o;
}


返回到Unity编辑器的粒子系统设置,警告已经消失了。

16.png


现在将Main模块的Start Color设为蓝色。

17.png


可能你已经明白了,但是这样做不会改变什么。因为我们接收了数据,但还没在片段部分处理数据。

现在修改设置,使粒子系统组件的颜色对纹理颜色进行着色,然后再插补为红色。
[C#] 纯文本查看 复制代码
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // 采样纹理
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

    //让纹理颜色和粒子系统的顶点颜色输入相乘
    col *= i.color;

    float particleAgePercent = i.uv.z;
    float4 colourRed = float4(1, 0, 0, 1);

    // 根据粒子寿命百分比从纹理颜色插值为红色
    col = lerp(col, colourRed * col.a, particleAgePercent);

    // 应用模糊效果
    UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
    return col;
}


现在Unity编辑器中,我们可以看见下图画面,和预期一样,粒子首先会被着色为蓝色。

18.png


我们已经成功编写好了粒子着色器,它可以处理自定义顶点流,下面是完整的着色器代码。
[C#] 纯文本查看 复制代码
Shader "Unlit/Simple Particle Unlit"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Opaque" }
        LOD 100

        Blend One One // 加法混合
        ZWrite Off // 关闭深度测试

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // 实现模糊效果
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                fixed4 color : COLOR;
                float3 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float3 uv : TEXCOORD0;
                UNITY_FOG_COORDS(1)
                float4 vertex : SV_POSITION;
                fixed4 color : COLOR;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                // 从保存在颜色顶点输入的粒子系统接收数据,并将该数据用于初始化颜色
                o.color = v.color;
                o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
            
                // 初始化当前uv.z(包含粒子的寿命百分比)
                o.uv.z = v.uv.z;
 
                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 采样纹理
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

                // 让纹理颜色和粒子系统的顶点颜色输入相乘
                col *= i.color;

                float particleAgePercent = i.uv.z;
                float4 colourRed = float4(1, 0, 0, 1);

               //根据粒子寿命百分比,从纹理颜色插值为红色
               col = lerp(col, colourRed * col.a, particleAgePercent);

                // 应用模糊效果
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}


Part 4:顶点动画
效果依旧不是很特别,因为现在可以接收并处理粒子系统的输入颜色,所以我们可以通过将Start Color恢复为纯白色,注释掉将col插补为红色的代码,并使用Color over Lifetime模块在标准化粒子生命周期将红色过渡为蓝色,从而获得完全相同的结果。

19.png


如果我们只是为了制作一个自定义着色器,它应该能实现更多功能。现在我们要实现无法通过修改组件设置或在CPU编程来轻松实现的效果。

我们已经学习如何使用自定义顶点流处理渲染粒子的像素。接下来处理它的顶点。在顶点部分中,在修改位置的代码前,即代码o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex),添加这部分代码。
[C#] 纯文本查看 复制代码
// 奇怪的顶点动画 
float sineFrequency = 5.0;
float sineAmplitude = 4.0;

float sineOffset = sin(_Time.y * sineFrequency) * sineAmplitude;
float agePercent = v.uv.z;

float3 vertexOffset = float3(0, sineOffset * agePercent, 0);
v.vertex.xyz += vertexOffset;


注意:_Time是Unity着色器内置的4D变量,_Time的Y值没有更改。我们也可以使用_SinTime.w,它是未更改的时间正弦。

我们使用正弦波创建了动画,其中Y偏移被调整为正弦偏移和粒子寿命的乘积。粒子寿命越大,偏移越大,于是得到了下图效果。

20.gif


通过将基础粒子系统改为粒子弹簧,我们可以让效果没那么奇怪。在得到正常运行的顶点动画后,为粒子系统实现粒子弹簧效果非常简单。

Part 5:粒子弹簧
首先,新粒子系统的默认Rotation X值为-90,请确保将其重置为0。

21.png


在Main模块,勾选Prewarm,将Start Lifetime设为4,Start Speed设为0。

22.png


完全禁用Shape模块。因为我们想要完美的点发射器。

23.png


最后启用Velocity over Lifetime模块,并按下图进行设置。Linear Y设为2,Orbital Y设为8,Offset X设为1。这样一来,粒子会上升,绕着本地Y轴,将Space设为Local旋转,由于旋转中心在X轴偏移1个单位,它会实现螺旋图案。

通过修改以上设置,我们可以控制弹簧的外形。

24.png


下图是得到的效果,弹簧会上下移动。

25.png


如果想要多个弹簧粒子,应该怎样处理呢?因为该着色器使用和噪声相同的输入,无论材质如何,每个弹簧都有相同的动画效果。我们需要一种方法来根据材质指定偏移。

现在返回到着色器代码,在主纹理下添加偏移时间的新属性。我们在此创建了一个数值滑块,调整范围在0.0和100.0之间,默认值为0.0,即无偏移。
[C#] 纯文本查看 复制代码
_MainTex("Texture", 2D) = "white" {}
_TimeOffset("Noise Offset", Range(0, 100)) = 0.0

26.png


然后,添加时间偏移变量。
[C#] 纯文本查看 复制代码
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;

uniform float _TimeOffset;


最后将偏移值与_Time.y相加,将得到的结果存为新变量,以使代码更清楚,接下来将该变量传到正弦函数中,使它在函数中与频率相乘。
[C#] 纯文本查看 复制代码
float time = _Time.y + _TimeOffset;
float sineOffset = sin(time * sineFrequency) * sineAmplitude;


现在,我们只需要复制粒子系统和材质,然后修改刚添加的偏移属性即可。创建当前粒子系统的副本,然后确保每个副本有独特的材质和不同的偏移值,并使用相同的着色器。

我们完成的效果如下图所示。

28.gif


着色器代码
完整的着色器代码如下。
[C#] 纯文本查看 复制代码
Shader "Unlit/Simple Particle Unlit"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Texture", 2D) = "white" {}
        _TimeOffset("Noise Offset", Range(0, 100)) = 0.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Opaque" }
        LOD 100 

        Blend One One // 加法混合
        ZWrite Off // 关闭深度测试

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag          
            // 实现模糊效果
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                fixed4 color : COLOR;
                float3 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float3 uv : TEXCOORD0;
                UNITY_FOG_COORDS(1)
                float4 vertex : SV_POSITION;
                fixed4 color : COLOR;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            float _TimeOffset;

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;

                // 奇怪的定点动画
                float sineFrequency = 5.0;
                float sineAmplitude = 4.0;

                float time = _Time.y + _TimeOffset;
                float sineOffset = sin(time * sineFrequency) * sineAmplitude;

                float agePercent = v.uv.z;

                float3 vertexOffset = float3(0, sineOffset * agePercent, 0);

                v.vertex.xyz += vertexOffset;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                // 从保存在颜色顶点输入的粒子系统接收数据,并将该数据用于初始化颜色
                o.color = v.color;

                o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);

                // 初始化tex coord变量
                o.uv.z = v.uv.z;

                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                //采样纹理
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

                // 让纹理颜色和粒子系统的顶点颜色输入相乘
                col *= i.color;

                float particleAgePercent = i.uv.z;
                float4 colourRed = float4(1, 0, 0, 1);

                // 根据粒子寿命百分比,从纹理颜色插值为红色
                col = lerp(col, colourRed * col.a, particleAgePercent);

                // 应用模糊效果
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}


小结
本文帮助你了解如何在Unity使用自定义粒子顶点流,在后面的教程中,我们将进一步提升效果,尽情期待。更多Unity教程,尽在Unity官方中文论坛(UnityChina.cn) !

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发表于 2019-1-15 09:34:21 | 显示全部楼层
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