Unity地面交互效果——4、制作地面凹陷轨迹
大家好，我是阿赵。
上一篇介绍了曲面细分着色器的基本用法和思路，这一篇在曲面细分的基础上，制作地面凹陷的轨迹效果。
一、思路分析
这次需要达到的效果是这样的：
从效果上看，这个凹陷在地面下的轨迹，里面有法线变化的效果，然后地表模型也是真实的发生了凹陷变化。所以其实就是之前说到的法线混合轨迹和曲面细分的综合应用。
曲面细分的等级实际上是根据自己的需要去调整的
做到这么高的细分也可以，但实际上也没太大必要。
之前已经介绍过法线轨迹的混合，然后有了曲面细分之后，剩下的事情就是把两者结合起来，并且做一个顶点偏移效果了。顶点偏移，实际上也是通过绘制出来的轨迹做偏移，比如我现在有一张黑白的图片，轨迹就绘制在上面，然后对贴图进行局部采样，最后把某些色值范围内的顶点做一个高度的偏移，就做出了这个凹陷的效果了。
二、贴图通道的利用
还记得最开始的一篇的内容吗？我是使用一个顶视正交摄像机去拍摄这个范围内的轨迹的。
这里的这个法线贴图，实际上只用到了RGB三个通道而已，还有一个A通道可以用。于是，可以把需要实现高度偏移的黑白图片，记录在这张贴图的A通道。
这样，只需要打一个摄像机，渲染一张RenderTexture，就同时实现了法线贴图和顶点偏移2种效果了。
值得注意的是，我这里只把需要凹陷的地方刷成了白色，然后不需要凹陷的地方默认是黑色。这样做的好处是计算简单，只需要根据A通道的0-1去决定凹陷的深度就行了。不过有时候，做轨迹是不止凹陷的，不如一个球在沙地上移动，实际上轨迹的边缘还会凸起来的。如果要实现这种效果，那么就要把平地的Alpha值设置成0.5，然后大于0.5的部分是凸起，小于0.5的部分是凹陷。
三、Shader实现
1、顶点片段着色器里的实现：
Shader "azhao/VFGround"
{
Properties
{
_MainTex("Texture", 2D) = "white" {}
_Color("Color", Color) = (1,1,1,1)
_centerPos("CenterPos", Vector) = (0,0,0,0)
_minDis("minVal", Float) = 0
_maxDis("maxVal", Float) = 20
_factor("factor", Float) = 15
_footstepRect("footstepRect",Vector) = (0,0,0,0)
_footstepTex("footstepTex",2D) = "gray"{}
_height("height" ,Float) = 0.3
_NormalTex("Normal Tex", 2D) = "black"{}
_normalScale("normalScale", Range(-1 , 1)) = 0
_specColor("SpecColor",Color) = (1,1,1,1)
_shininess("shininess", Range(1 , 100)) = 1
_specIntensity("specIntensity",Range(0,1)) = 1
_ambientIntensity("ambientIntensity",Range(0,1)) = 1
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
//在正常的vertex和fragment之间还需要hull和domain，所以在这里加上声明
#pragma hull hullProgram
#pragma domain domainProgram
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
fixed4 _Color;
uniform float _minDis;
uniform float _maxDis;
uniform float3 _centerPos;
uniform float _factor;
float4 _footstepRect;
sampler2D _footstepTex;
float _height;
sampler2D _NormalTex;
float4 _NormalTex_ST;
float _normalScale;
float4 _specColor;
float _shininess;
float _specIntensity;
float _ambientIntensity;
struct a2v
{
float4 pos : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 normal:NORMAL;
float3 tangent:TANGENT;
};
struct v2t
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float2 footstepUV : TEXCOORD1;
float4 worldPos : TEXCOORD2;
float3 worldNormal : TEXCOORD3;
float3 worldTangent :TEXCOORD4;
float3 worldBitangent : TEXCOORD5;
};
struct t2f
{
float4 clipPos:SV_POSITION;
float2 uv: TEXCOORD0;
float2 footstepUV:TEXCOORD1;
float4 worldPos:TEXCOORD2;
float3 worldNormal : TEXCOORD3;
float3 worldTangent :TEXCOORD4;
float3 worldBitangent : TEXCOORD5;
};
struct TessOut
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 worldPos : TEXCOORD1;
float2 footstepUV:TEXCOORD2;
float3 worldNormal : TEXCOORD3;
float3 worldTangent :TEXCOORD4;
float3 worldBitangent : TEXCOORD5;
};
struct TessParam
{
float EdgeTess[3] : SV_TessFactor;//各边细分数
float InsideTess : SV_InsideTessFactor;//内部点细分数
};
float RemapUV(float min, float max, float val)
{
return (val - min) / (max - min);
}
half3 UnpackScaleNormal(half4 packednormal, half bumpScale)
{
half3 normal;
//由于法线贴图代表的颜色是0到1，而法线向量的范围是-1到1
//所以通过*2-1,把色值范围转换到-1到1
normal = packednormal * 2 - 1;
//对法线进行缩放
normal.xy *= bumpScale;
//向量标准化
normal = normalize(normal);
return normal;
}
//获取Lambert漫反射值
float GetLambertDiffuse(float3 worldPos, float3 worldNormal)
{
float3 lightDir = UnityWorldSpaceLightDir(worldPos);
float NDotL = saturate(dot(worldNormal, lightDir));
return NDotL;
}
//获取BlinnPhong高光
float GetBlinnPhongSpec(float3 worldPos, float3 worldNormal)
{
float3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
float3 halfDir = normalize((viewDir + _WorldSpaceLightPos0.xyz));
float specDir = max(dot(normalize(worldNormal), halfDir), 0);
float specVal = pow(specDir, _shininess);
return specVal;
}
v2t vert(a2v i)
{
v2t o;
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,i.pos);
o.uv = i.uv;
o.footstepUV = float2(RemapUV(_footstepRect.x, _footstepRect.z, o.worldPos.x), RemapUV(_footstepRect.y, _footstepRect.w, o.worldPos.z));
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(i.normal);
o.worldTangent = UnityObjectToWorldDir(i.tangent);
o.worldBitangent = cross(o.worldNormal, o.worldTangent);
return o;
}
//在hullProgram之前必须设置这些参数，不然会报错
[domain("tri")]//图元类型,可选类型有 "tri", "quad", "isoline"
[partitioning("integer")]//曲面细分的过渡方式是整数还是小数
[outputtopology("triangle_cw")]//三角面正方向是顺时针还是逆时针
[outputcontrolpoints(3)]//输出的控制点数
[patchconstantfunc("ConstantHS")]//对应之前的细分因子配置阶段的方法名
[maxtessfactor(64.0)]//最大可能的细分段数
//vert顶点程序之后调用，计算细分前的三角形顶点信息
TessOut hullProgram(InputPatch<v2t, 3> i, uint idx : SV_OutputControlPointID)
{
TessOut o;
o.worldPos = i[idx].worldPos;
o.uv = i[idx].uv;
o.footstepUV = i[idx].footstepUV;
o.worldNormal = i[idx].worldNormal;
o.worldTangent = i[idx].worldTangent;
o.worldBitangent = i[idx].worldBitangent;
return o;
}
//指定每个边的细分段数和内部细分段数
TessParam ConstantHS(InputPatch<v2t, 3> i, uint id : SV_PrimitiveID)
{
TessParam o;
float4 worldPos = (i[0].worldPos + i[1].worldPos + i[2].worldPos) / 3;
float smoothstepResult = smoothstep(_minDis, _maxDis, distance(worldPos.xz, _centerPos.xz));
float fac = max((1.0 - smoothstepResult)*_factor, 1);
//由于我这里是根据指定的中心点和半径范围来动态算细分段数，所以才有这个计算，不然可以直接指定变量来设置。
o.EdgeTess[0] = fac;
o.EdgeTess[1] = fac;
o.EdgeTess[2] = fac;
o.InsideTess = fac;
return o;
}
//在domainProgram前必须设置domain参数，不然会报错
[domain("tri")]
//细分之后，把信息传到frag片段程序
t2f domainProgram(TessParam tessParam, float3 bary : SV_DomainLocation, const OutputPatch<TessOut, 3> i)
{
t2f o;
//线性转换
float2 uv = i[0].uv * bary.x + i[1].uv * bary.y + i[2].uv * bary.z;
o.uv = uv;
o.footstepUV = i[0].footstepUV * bary.x + i[1].footstepUV * bary.y + i[2].footstepUV * bary.z;
float4 footstepCol = tex2Dlod(_footstepTex, float4(o.footstepUV, 0, 0.0));
float addVal = footstepCol.a*_height;
float4 worldPos = i[0].worldPos * bary.x + i[1].worldPos * bary.y + i[2].worldPos * bary.z;
worldPos.y = worldPos.y - addVal;
o.worldPos = worldPos;
o.clipPos = UnityWorldToClipPos(worldPos);
o.worldNormal = i[0].worldNormal * bary.x + i[1].worldNormal * bary.y + i[2].worldNormal * bary.z;
o.worldTangent = i[0].worldTangent * bary.x + i[1].worldTangent * bary.y + i[2].worldTangent * bary.z;
o.worldBitangent = i[0].worldBitangent * bary.x + i[1].worldBitangent * bary.y + i[2].worldBitangent * bary.z;
return o;
}
fixed4 frag (t2f i) : SV_Target
{
// // sample the texture
//float2 mainUV = i.uv*_MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
// fixed4 col = tex2D(_MainTex, mainUV)*_Color;
//fixed4 footstepCol = tex2D(_footstepTex, i.footstepUV);
//fixed3 footstepRGB = fixed3(footstepCol.r - 0.5, footstepCol.g - 0.5, footstepCol.b - 0.5);
//footstepRGB = footstepRGB * footstepCol.a;
//fixed4 finalCol = col;// fixed4(saturate(col.rgb + footstepRGB), 1);
// return finalCol;
//采样漫反射贴图的颜色
half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv*_MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw);
//计算法线贴图的UV
half2 normalUV = i.uv * _NormalTex_ST.xy + _NormalTex_ST.zw;
//采样法线贴图的颜色
half4 normalCol = tex2D(_NormalTex, normalUV);
fixed4 footstepCol = tex2D(_footstepTex, i.footstepUV);
fixed3 footstepRGB = UnpackScaleNormal(footstepCol*footstepCol.a, _normalScale).rgb;
//得到切线空间的法线方向
half3 normalVal = UnpackScaleNormal(normalCol, _normalScale).rgb;
//normalVal = footstepRGB;
//normalVal = normalize(normalVal + footstepRGB);
normalVal -= footstepRGB;
//构建TBN矩阵
float3 tanToWorld0 = float3(i.worldTangent.x, i.worldBitangent.x, i.worldNormal.x);
float3 tanToWorld1 = float3(i.worldTangent.y, i.worldBitangent.y, i.worldNormal.y);
float3 tanToWorld2 = float3(i.worldTangent.z, i.worldBitangent.z, i.worldNormal.z);
//通过切线空间的法线方向和TBN矩阵，得出法线贴图代表的物体世界空间的法线方向
float3 worldNormal = float3(dot(tanToWorld0, normalVal), dot(tanToWorld1, normalVal), dot(tanToWorld2, normalVal));
//用法线贴图的世界空间法线，算漫反射
half diffuseVal = GetLambertDiffuse(i.worldPos, worldNormal);
diffuseVal = clamp(diffuseVal, 0.6, 1);
diffuseVal = pow(diffuseVal, 1.5);
//用法线贴图的世界空间法线，算高光角度
half3 specCol = _specColor * GetBlinnPhongSpec(i.worldPos, worldNormal)*_specIntensity;
//最终颜色 = 环境色+漫反射颜色+高光颜色
half3 finalCol = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT * _ambientIntensity + saturate(col.rgb*diffuseVal) + specCol;
return half4(finalCol,1);
}
ENDCG
}
}
}
值得注意的地方：
1.为了获得细分后的顶点做偏移，所以顶点偏移的过程是写在domainProgram
2.在顶点类程序里面如果需要采样贴图，并不是使用tex2D方法，而是使用tex2Dlod方法
2、Surface着色器里的实现：
Shader "azhao/SurfaceGround"
{
Properties
{
_MainTex("MainTex", 2D) = "white" {}
_NormalTex("NormalTex", 2D) = "white" {}
_minDis("minVal", Float) = 0
_maxDis("maxVal", Float) = 15
_factor("factor", Float) = 1
_height("height",float) = 0
_centerPos("centerPos", Vector) = (0,0,0,0)
_footstepRect("footstepRect", Vector) = (0,0,0,0)
_footstepTex("footstepTex", 2D) = "black" {}
[HideInInspector] _texcoord("", 2D) = "white" {}
[HideInInspector] __dirty("", Int) = 1
}
SubShader
{
Tags{ "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry+0" }
Cull Back
CGPROGRAM
#include "UnityStandardUtils.cginc"
#pragma target 4.6
#pragma surface surf Standard keepalpha addshadow fullforwardshadows vertex:vertexDataFunc tessellate:tessFunction
struct Input
{
float2 uv_texcoord;
float3 worldPos;
};
sampler2D _NormalTex;
float4 _NormalTex_ST;
sampler2D _footstepTex;
float4 _footstepRect;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
float _minDis;
float _maxDis;
float4 _centerPos;
float _factor;
float _height;
float RemapUV(float min, float max, float val)
{
return (val - min) / (max - min);
}
float4 tessFunction( appdata_full v0, appdata_full v1, appdata_full v2 )
{
float4 vertex = (v0.vertex + v1.vertex + v2.vertex) / 3;
float3 worldPos = mul( unity_ObjectToWorld, vertex );
float smoothstepResult = smoothstep( _minDis , _maxDis , distance(_centerPos.xz, worldPos.xz));
float tessVal = max( ( ( 1.0 - smoothstepResult ) * _factor ) , 0.1 );
return tessVal;
}
void vertexDataFunc( inout appdata_full v )
{
float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);
float temp_output_1_0_g1 = _footstepRect.x;
float temp_output_1_0_g2 = _footstepRect.y;
float2 footstepUV = float2(RemapUV(_footstepRect.x, _footstepRect.z, worldPos.x), RemapUV(_footstepRect.y, _footstepRect.w, worldPos.z));
float4 tex2DNode = tex2Dlod(_footstepTex, float4(footstepUV, 0, 0.0));
float offset = tex2DNode.a * _height*-0.01;
v.vertex.y += offset;
}
void surf( Input i , inout SurfaceOutputStandard o )
{
float2 uv_NormalTex = i.uv_texcoord * _NormalTex_ST.xy + _NormalTex_ST.zw;
float3 worldPos = i.worldPos;
float temp_output_1_0_g1 = _footstepRect.x;
float temp_output_1_0_g2 = _footstepRect.y;
float2 footstepUV = float2(RemapUV(_footstepRect.x, _footstepRect.z, worldPos.x), RemapUV(_footstepRect.y, _footstepRect.w, worldPos.z));
o.Normal = BlendNormals( UnpackNormal( tex2D( _NormalTex, uv_NormalTex ) ) , UnpackNormal( tex2D( _footstepTex, footstepUV) ) );
float2 uv_MainTex = i.uv_texcoord * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
o.Albedo = tex2D( _MainTex, uv_MainTex ).rgb;
o.Alpha = 1;
}
ENDCG
}
Fallback "Diffuse"
}
用Surface写，过程会简单很多，毕竟不需要自己去声明曲面细分的各个步骤，也不需要自己写光照模型和法线贴图的计算。不过我觉得如果能用顶点片段程序去实现一下，会对这个过程更了解一些。