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游戲中的風(fēng)景越真實、自然，玩家的代入感也就越強(qiáng)。那如何用Unity制作逼真的自然場景？ 學(xué)習(xí)群：233763660

游戲中的風(fēng)景越真實、自然，玩家的代入感也就越強(qiáng)。那如何用Unity制作逼真的自然場景？本文將分析Unity官方制作的演示短片——《Book of the Dead》中，風(fēng)與植物的交互原理，幫助大家制作出更自然的風(fēng)景。

《Book of the Dead》是由Unity官方制作的一個演示短片，其中有大量的植物，不僅渲染上有著照片級的真實感，而且風(fēng)與植物的交互也非常的自然。其所有的自然資源都是來自照片掃描技術(shù)，而且使用了HDRP高清渲染管線，場景在Unity Asset Store上可以下載得到。本文主要分析短片中風(fēng)與植物交互的原理。

一、支持的植物結(jié)構(gòu)

場景中，對于風(fēng)與植物交互的模擬，支持三種結(jié)構(gòu)：

Hierachy Pivot：層次嵌套Pivot，用于模擬樹或者其他有多重層次結(jié)構(gòu)的植物

Single Pivot Color：單Pivot，用于模擬草

Procedural Animation：程序動畫，用于模擬浮萍等無pivot的植物

對于樹的模擬最為復(fù)雜，它屬于Hierachy Pivot結(jié)構(gòu)，最多支持3個層次嵌套：

主干，連接地面

Level 0分支，連接著主干

Level 1分支，連接著Leval 0分支

二、代碼入口

本文重點(diǎn)分析Hierachy Pivot結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)原理。風(fēng)與植物的交互一般用程序頂點(diǎn)動畫實現(xiàn)，隨意找到一棵樹的shader，順藤摸瓜可以在VS中找到如下代碼：

可以看到，每個頂點(diǎn)的uv3通道中存的是pivot信息，即該頂點(diǎn)受哪些pivot影響。

#if USE_VEGETATION_ANIM

    float3 positionWS = GetAbsolutePositionWS(positionRWS);

    APPLY_VEGETATION_ANIM_TIMENUDGE(positionWS, normalWS, input.uv3/*pivotData*/, input.color.rgb/*pivotColor*/, GetObjectAbsolutePositionWS(), time.x);

    positionRWS = GetCameraRelativePositionWS(positionWS);

#endif

注意的是，這里的uv3是float3類型。

struct AttributesMesh

{

//...

//forest-begin: Added vertex animation

#if defined(_ANIM_SINGLE_PIVOT_COLOR) || defined(_ANIM_HIERARCHY_PIVOT)

    float3 uv3          : TEXCOORD3;

//...

};

Hierachy Pivot結(jié)構(gòu)的植物，最終調(diào)用的是AnimateVegetationHierarchyPivot。

#if defined(USE_VEGETATION_ANIM) && defined(_ANIM_SINGLE_PIVOT_COLOR)

    #define APPLY_VEGETATION_ANIM_TIMENUDGE(worldPos, normalWorld, pivotData, pivotColor, objectRoot, timeNudge) { AnimateVegetationSinglePivot(worldPos, normalWorld, pivotData, pivotColor, timeNudge); }

#elif defined(USE_VEGETATION_ANIM) && defined(_ANIM_HIERARCHY_PIVOT)

    #define APPLY_VEGETATION_ANIM_TIMENUDGE(worldPos, normalWorld, pivotData, pivotColor, objectRoot, timeNudge) { AnimateVegetationHierarchyPivot(worldPos, normalWorld, pivotData, pivotColor, objectRoot, timeNudge); }

#elif defined(USE_VEGETATION_ANIM) && defined(_ANIM_PROCEDURAL_BRANCH)

    #define APPLY_VEGETATION_ANIM_TIMENUDGE(worldPos, normalWorld, pivotData, pivotColor, objectRoot, timeNudge)  { AnimateVegetationProceduralBranch(worldPos, normalWorld, objectRoot, timeNudge); }

三、PivotData解碼

pivotData是float3類型，先用asuint轉(zhuǎn)成uint3，一共是32x3=96個bit，分成兩段前后48bit，分別存Pivot0和Pivot1的信息，分別用UnpackPivot0和UnpackPivot1解出來。

    uint3 packedData =asuint(pivotData);

    float3 pivotPos0, pivotPos1, pivotFwd0, pivotFwd1;

    bool pivotEnabled0 =UnpackPivot0(packedData, pivotPos0, pivotFwd0);

    bool pivotEnabled1 =UnpackPivot1(packedData, pivotPos1, pivotFwd1);

Pivot0和Pivot1剛好是對稱排列。

接下來分析Pivot0是如何解碼出來的，48bit里面，高32bit存Pivot Pos，低16位存Pivot Fwd，細(xì)節(jié)如下圖所示。最終解出來的Pos是模型空間的坐標(biāo)，樹的建模應(yīng)該是樹干的根在模型空間的原點(diǎn)，Pos.x和Pos.z是有正負(fù)的，而樹只能向上長，于是Pos.y必然是大于0。對于一般的樹而言垂直方向范圍一般大于水平方向的范圍，于是用12bit保存Pos.y的值，稍微比x和z多2個bit的精度。

滿足packedData.y & 0xFFFF0000時，即高16位有值時，代表有Pivot0的信息，才需要解析。

// Needs to match shader packing in baking tool

bool UnpackPivot0(uint3 packedData, inout float3 pivotPos0, inout float3 pivotFwd0) {

    if(packedData.y & 0xFFFF0000) {

        pivotPos0.x = UnpackFixedToSFloat(packedData.x, 8.f, 10, 22);

        pivotPos0.y = UnpackFixedToUFloat(packedData.x, 32.f, 12, 10);

        pivotPos0.z = UnpackFixedToSFloat(packedData.x, 8.f, 10, 0);

        pivotFwd0.x = UnpackFixedToSFloat(packedData.y, 1.f, 8, 24);

        pivotFwd0.z = UnpackFixedToSFloat(packedData.y, 1.f, 7, 17);

        pivotFwd0.y = sqrt(1.f - saturate(dot(pivotFwd0.xz, pivotFwd0.xz))) * (((packedData.y >> 16) & 1) ? 1.f : -1.f);

        pivotFwd0 = normalize(pivotFwd0);

        return true;

    }

    return false;

}

其中Pos.x用UnpackFixedToSFloat解出來，10bit實際存的是百分比[0, 1]，由于x可能是負(fù)數(shù)，編碼時把[-1, 1]映射到[0, 1]，于是這里把[0, 1]反映射回[-1, 1]，再乘以傳入的range，可以看出Pos.x的范圍是[-8f, 8f]。從其他硬編碼的參數(shù)可以看出，樹的建模尺寸是長寬16x16，高是32。

float UnpackFixedToSFloat(uint val, float range, uint bits, uint shift) {

    const uint BitMask = (1 << bits) - 1;

    val = (val >> shift) & BitMask;

    float fval = val / (float)BitMask;

    return (fval * 2.f - 1.f) * range;

}

Fwd是分支（樹干或者樹枝）的方向，由于是單位向量，所以只存了x和z分量，y分量可以通過公式反算出來，開方后丟失了符號信息，于是用1位存符號。

pivotFwd0.x = UnpackFixedToSFloat(packedData.y, 1.f, 8, 24);

        pivotFwd0.z = UnpackFixedToSFloat(packedData.y, 1.f, 7, 17);

        pivotFwd0.y = sqrt(1.f - saturate(dot(pivotFwd0.xz, pivotFwd0.xz))) * (((packedData.y >> 16) & 1) ? 1.f : -1.f);

        pivotFwd0 = normalize(pivotFwd0);

四、整體流程

偽代碼如下所示，有點(diǎn)跟骨骼動畫類似，頂點(diǎn)受骨骼的變換影響，而每個骨骼會受其父骨骼的變換影響，最終頂點(diǎn)受骨骼的級聯(lián)變換影響。樹的頂點(diǎn)至少受主干的影響，因為任何頂點(diǎn)肯定要么是屬于主干或者屬于其他分支，而其他分支必然直接或間接連著主干，最復(fù)雜的情況是頂點(diǎn)在level1分支上，level1分支連著level0分支，level分支連著主干，需要計算累計變換。

//任何頂點(diǎn)肯定是在主干上或連接著主干

    計算主干受風(fēng)力影響導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)；

    旋轉(zhuǎn)作用于頂點(diǎn)pos和normal；

    if (有pivot0信息)//主干連接著level0分支

    {

        計算level0分支受風(fēng)力影響導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)；

        旋轉(zhuǎn)作用于頂點(diǎn)pos和normal；

        if (有pivot1信息)//level0分支連接著level1分支

        {

            計算level1分支受風(fēng)力影響導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)；

            旋轉(zhuǎn)作用于頂點(diǎn)pos和normal；

        }

    }

4.1 主干受風(fēng)影響

對于每個枝干受風(fēng)吹后彎曲程度，由如下變量控制，整體的彎曲程度可以由Wind Elasticity Lvl x系列變量控制，其中Lvl B是主干。

樹被風(fēng)吹有個特點(diǎn)，離地面越遠(yuǎn)部分，被吹彎曲的越厲害，所以會有個縮放系數(shù)來控制旋轉(zhuǎn)量，地面處為0（樹根），離地面越遠(yuǎn)的部分這個縮放系數(shù)越大。有種預(yù)烘培做法，是用頂點(diǎn)模型空間的y除以整個樹的高度，計算出縮放系數(shù)并把它烘到點(diǎn)色或者其他通道上，這里的做法是運(yùn)行時計算，用變量_WindRangeLvlB調(diào)節(jié)受風(fēng)的范圍，它是模型空間的量，其實跟預(yù)烘培的效果差不多。lvBElasticity是最終的彈性縮放系數(shù)。

//主干風(fēng)力影響代碼

    float lvBRelativeObjectScale = mul(GetActualObject2World(), float4(0, _WindRangeLvlB, 0, 0)).y;

    float3 windFwd = GetWindDirection(objectRoot);

    float3 lvBBaseGustWind = GetTreeBaseGustWind(objectRoot, timeNudge);

    float3 lvBPos = objectRoot;

    //主干fwd直接取模型空間y軸方向

    float3 lvBFwd = float3(0, 1, 0); //TODO: grab from rotation matrix

    float lvBElasticity = _WindElasticityLvlB;

    float lvBDistScale = saturate((worldPos.y - objectRoot.y) / lvBRelativeObjectScale);

    lvBElasticity *= lvBDistScale;

對于風(fēng)吹草的模擬一般在頂點(diǎn)加上風(fēng)力方向的偏移就可以得到比較好的效果，因為一般草都比較矮小，但是對于樹這種比較高的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，用草的方式模擬會有種樹被拉扯變長的感覺，所以一般的方案是用旋轉(zhuǎn)代替頂點(diǎn)偏移。

lvBWindAxis為旋轉(zhuǎn)軸，windFwd與lvBFwd如果同向或者反向時候，主干應(yīng)該是不會旋轉(zhuǎn)，后面的枝干level 0做了這種情況的修正，主干這里可能從設(shè)計上就不會有垂直于地面的風(fēng)向吧。

然后就是把旋轉(zhuǎn)作用到頂點(diǎn)的pos和normal上，旋轉(zhuǎn)的錨點(diǎn)是世界空間下的objectRoot，應(yīng)該是模型空間的原點(diǎn)。

    float lvBWindRotAngle = lvBBaseGustWind.x * lvBElasticity;

    //對旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行l(wèi)og2衰減

    lvBWindRotAngle = log2(1.f + abs(lvBWindRotAngle)) * sign(lvBWindRotAngle);

    float3 lvBWindAxis = cross(lvBFwd, windFwd);

    float4 lvBWindQuat = QuaternionFromAxisAngle(lvBWindAxis, lvBWindRotAngle);

    worldPos = QuaternionRotatePointAbout(worldPos, lvBPos, lvBWindQuat);

    worldNrm = QuaternionRotateVector(worldNrm, lvBWindQuat);

4.2 支干Level0受風(fēng)影響

邏輯基本與主干差不多，不同的地方是lv0Fwd的方向用lv0BaseGustWind和lvBDistScale做了調(diào)整，猜測是為了讓彎曲旋轉(zhuǎn)更自然。

旋轉(zhuǎn)角度lv0WindRotAngle根據(jù)windFwd和lv0Fwd的是否平行，進(jìn)行了相應(yīng)的衰減。

    //當(dāng)lv0BaseGustWind.y為0時，平行風(fēng)，旋轉(zhuǎn)軸為y軸模擬更自然

    lv0Fwd.y *= lv0BaseGustWind.y * lvBDistScale;

    lv0Fwd = normalize(lv0Fwd);

    float3 lv0WindAxis = cross(windFwd, lv0Fwd);

    float3 lv0WindRight = cross(windFwd, lv0WindAxis);

    float lv0PerpendicularFactor = dot(lv0Fwd, lv0WindRight);

    float lv0AngleFactor = lv0PerpendicularFactor * lv0PerpendicularFactor;

    lv0AngleFactor *= sign(lv0PerpendicularFactor);

    lv0WindRotAngle *= lv0AngleFactor;

4.3 支干Level1受風(fēng)影響

Level1是樹最外層的部分了，整體流程與LevelB和Level0差不多，另外多了一些撲動的處理，樹的外端末枝（樹葉或者小樹枝）被風(fēng)吹的時候往往是有較劇烈的搖晃，而且呈一定的隨機(jī)周期性運(yùn)動，這部分計算出來的是頂點(diǎn)偏移，并在最后的旋轉(zhuǎn)前先加到頂點(diǎn)坐標(biāo)上。

    float vertexFlutterPhase = dot(worldPos, _WindFlutterPhase);

    float windFlutterCos = cos(WIND_PI2 * (_WindTime + timeNudge + vertexFlutterPhase) / (_WindTreeFlutterGustVariancePeriod * _WindFlutterPeriodScale));

    float windFlutterStrength = lv1Elasticity * _WindFlutterElasticity * _WindFlutterScale * (_WindTreeFlutterStrength + saturate((max(0.f, lv0BaseGustWind.z) - _WindTreeFlutterGustStrengthOffset) / _WindTreeFlutterGustStrengthScale) * _WindTreeFlutterGustStrength);

    float3 lv1WindAxis = cross(windFwd, lv1Fwd);

    worldPos += lv1WindAxis * windFlutterCos * windFlutterStrength;

文 | Kirk

騰訊互動娛樂 工程師

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