【Unity】广告牌（Billboard）材质

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Billboard概述

Billboard技术在游戏引擎中占有很重要的地位，一般用在粒子效果或者光晕效果上，让粒子面片z轴朝向摄影机。Unity里面也不例外 ，在Unity的粒子系统中的render面板的render mode中就四中billboard模式可选，这些模式都是面对摄影机的，只是轴向的约束不同；另外Unity的Terrain系统里也有Billboard技术的使用；但是如果我们使用自己做的模型或者预设，要使它朝向摄影机的话，则得自己写脚本或者写相应的shader实现，在这里将拿shadowgun里面的一个写得不错的shader（MADFINGER/Transparent/Blinking GodRays Billboarded）做例子实现billboard功能（如下图：），原来的例子中有一些与billboard无关的效果（如闪烁，根据距离渐隐等）我将它去掉了，只讲述billboard的实现。

模型在3d软件中的准备

在这个shader里面，为了获得面片的中心，将一些数据存在顶点颜色和UV2里面，在顶点颜色R通道和G通道里面存储一个单位面片（长宽为1的面片）的坐标，即四个顶点的顶点色（0,0,0），（255,0,0），（255,255,0），（0,255,0），而在UV2里面存下这个面片的长宽值（6,8），需要注意的是要保证单位为米，方便匹配unity的单位；如下图本例使用的面片：四个顶点的顶点色如下图所示，长宽为6和8，四个顶点的UV2如下图所示，记录长宽的单位6和8。

shader实现

这个shader是一个可以约束Y轴的billboard效果，因此在属性里我们需要定义一个参数，来控制轴向约束的开关：

_VerticalBillboarding("Vertical Restraints", Range(0,1)) = 1

接下来主要工作是在vert函数里修改面片模型的顶点，进行顶点位置的计算，首先我们先获得面片中心到摄影机位置的向量；这个时候我们存在模型顶点颜色和uv2的数据就可以起作用了,下面的计算都是在object space下计算的。

float3	centerOffs  = float3(float(0.5).xx - v.color.rg,0) * v.texcoord1.xyy;//利用事先存在模型顶点色和UV2的数据获得每个顶点相对与中心的偏移量
// float3	centerOffs  = float3(float(0.5).xx - v.color.rg,0) * v.color.bbb*255;
float3	centerLocal = v.vertex.xyz + centerOffs.xyz;//将顶点坐标偏移到中心位置
float3	viewerLocal = mul(_World2Object,float4(_WorldSpaceCameraPos,1));//获得观察点在object space下的坐标			
float3	localDir    = viewerLocal - centerLocal;//获得面片中心到观察点的方向向量
localDir.y =localDir.y * _VerticalBillboarding;//如果_VerticalBillboarding为0，则面片则绕y轴旋转

然后将得到的方向向量正则化，并将该方向向量作为Z轴，重构出面片中心面对视角的右手方向向量rightLocal和向上方向向量upLocal ；

		float3	rightLocal;
		float3	upLocal;
		
		CalcOrthonormalBasis(normalize(localDir) ,rightLocal,upLocal);//localDir的正则化很重要！

这里使用了CalcOrthonormalBasis（float3 dir,out float3 right,out float3 up），该函数作用就是根据dir重构出右手方向和向上方向up；这个函数是需要自己定义的 ，原型如下：

	void CalcOrthonormalBasis(float3 dir,out float3 right,out float3 up)
	{
		up    = abs(dir.y) > 0.999f ? float3(0,0,1) : float3(0,1,0);		
		right = normalize(cross(up,dir));		
		up    = cross(dir,right);	
	}

从上述原型可以看出dir，right，up是相互垂直的向量，从而构建出一个在坐标系统；在这里我们的输入时归一化后的localDir向量，因此得到一个在object space下的以localDir作为Z轴， rightLocal做X轴，upLocal做Y轴的新的坐标系，而localDir视线方向，所以rightLocal和upLocal 所构成的平面与视线垂直；最后我们根据这两个单位向量将之前偏移到面片中心的顶点坐标centerLocal重新按偏移量centerOffs偏移回去，构成一个垂直于视线的新的平面；

float3	BBLocalPos = centerLocal - (rightLocal * centerOffs.x + upLocal * centerOffs.y);	

当然这个新的平面是在object space下的，还需要转换到屏幕投影空间；

o.pos   = mul(UNITY_MATRIX_MVP, float4(BBLocalPos,1));//w分量设为1表明float4（BBLocalPos，1）是一个顶点

VF版本代码01

Shader "PengLu/Billboard/UnlitAddVF" {

Properties {
	_MainTex ("Base texture", 2D) = "white" {}
	_VerticalBillboarding("Vertical Restraints", Range(0,1)) = 1
}

	
SubShader {
	
	
	Tags { "Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent" }
	
	Blend One One
	Cull Off Lighting Off ZWrite Off Fog { Color (0,0,0,0) }
	
	LOD 100
	
	CGINCLUDE	
	#include "UnityCG.cginc"

	sampler2D _MainTex;
	float _VerticalBillboarding;

	
	struct v2f {
		float4	pos	: SV_POSITION;
		float2	uv	: TEXCOORD0;
	};

	void CalcOrthonormalBasis(float3 dir,out float3 right,out float3 up)
	{
		up    = abs(dir.y) > 0.999f ? float3(0,0,1) : float3(0,1,0);		
		right = normalize(cross(up,dir));		
		up    = cross(dir,right);	
	}
	
	
	v2f vert (appdata_full v)
	{
		v2f o;
			
		float3	centerOffs  = float3(float(0.5).xx - v.color.rg,0) * v.texcoord1.xyy;
		//float3	centerOffs  = float3(float(0.5).xx - v.color.rg,0) * v.color.bbb*256;
		float3	centerLocal = v.vertex.xyz + centerOffs.xyz;
		float3	viewerLocal = mul(_World2Object,float4(_WorldSpaceCameraPos,1));			
		float3	localDir    = viewerLocal - centerLocal;
				
		localDir.y =localDir.y * _VerticalBillboarding;
		
		float3	rightLocal;
		float3	upLocal;
		
		CalcOrthonormalBasis(normalize(localDir) ,rightLocal,upLocal);

		float3	BBNormal   = rightLocal * v.normal.x + upLocal * v.normal.y;
		float3	BBLocalPos = centerLocal - (rightLocal * centerOffs.x + upLocal * centerOffs.y);	
		o.uv    = v.texcoord.xy;
		o.pos   = mul(UNITY_MATRIX_MVP, float4(BBLocalPos,1));
						
		return o;
	}
	ENDCG


	Pass {
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest		
		fixed4 frag (v2f i) : COLOR
		{		
			return tex2D (_MainTex, i.uv.xy);
		}
		ENDCG 
	}	
}


}

VF版本代码01效果：