2023-08-25 15:55

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渲染TA实战：模型草美术效果分享

Hi！大家好我是小圆，来自畅游引擎部TA组。这次分享的内容是模型草的美术实现，包括草的模型和shader以及renderer Feature的制作。最后实现的效果：简单的风格化的光照效果、草随风摇摆、和草的稳定碰撞交互、以及和草带有弹力的碰撞交互。

视频链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/609035535

↑这是草的Shader面板的一些可调属性

视频链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/609035535

↑这是配合Renderer Feature做出的草的碰撞效果，一种更加稳定便宜，另外一种富有弹性。

特别提前说明说，本篇分享主要关注在草的动态效果，包括风拂动、和角色的交互。草的大规模生成、存储、实例化渲染不在分享的主要关注范围内（因为有同事做了很棒的GPU驱动的大规模草地渲染，就不用我来做了哈哈哈手动狗头）

那我们开始进入正文。

从做一簇草的模型开始

做一簇草，首先我们需要几棵长短不一的草作为基础。草的根部因为晃动幅度相对尖端幅度较小，可以分段略宽，在草中段和尖端要分段要做的稍微细致一些。同时我们也可以为单独的草做好LOD，方便后续LOD的制作。我这里分了5级LOD，LOD3和4里，最短的那一根草我直接删掉了，较小的草在远距离下也看不到。这里的草可以略微带一点弧度，但弧度不要过大。不然后续在计算草的受力效果时会看起来拉伸严重。

有了基本的草面片，我们就可以手动随机的旋转、缩放我们做好的单棵草的模型，就能获得一簇看起来还行的草。摆放我们的草的时候，需要注意：

高中低三种不同长度的草在缩放的时候，不要串了高度顺序。尤其低矮的草放太大，分段不够的时候会看起来比较丑陋
不同的LOD级别下，想同的一棵草位置一定要对齐。高级别的LOD可以适当删掉一些低矮的、细小的草。
一簇草我们需要确定它生长在一定的范围里，比如我这里所有的草都生长在一片2m x 2m的范围内。这个数据之后的Shader里会需要使用。

有一些教程里有草的模型的另外一种制作方式是：所有的基础草面片都直指向天，没有弧度。后续的弯折和倾斜完全靠Shader来控制。这样做确实也可以，但个人觉得这样做会稍微难控制一些，所以直接在一簇草的模型里做一些预设的、不太大的弯曲和倾斜。

有了基础的草的模型之后，我们还需要对草的UV进行一些额外的操作。可能这些操作现在看起来莫名其妙或者解释不太直观，但这对于后续的计算很有必要：

为草添加一个UVW编辑器，在UV0里（max里显示贴图通道1），全选面片、从任意一个侧面进行平面投射。塌陷掉修改器。做好之后的UV0应该与下图类似。
在场景中制作一块能完全覆盖所有草根部的面片，这里我的面片大小是2m x 2m，和我之前种草的范围一致。同时选中他们并为他们添加UVW编辑器，切换到UV1（max里显示贴图通道2），使用平面投射从Z方向（顶视角）进行投射。
然后我们需要将每一棵草的每一个UV点，都挪到这一棵根部的UV位置上去。最后实现的效果应该是：每一棵草的所有UV点，都在同一个位置，且这个位置是草原先根部UV所在的位置。做好后的UV应该类似下图。完事之后就可以塌陷掉这个修改器，删掉我们辅助用的面片了。
我们需要对我们所有LOD进行同样的上述操作

上边这一通操作下来，怕是要瞎了不少模型大哥的眼睛，尤其对齐UV1里每棵草的UV到根部，简直不要太烦人。如果能写个脚本那真是…诶？好像我已经写了一个？

好的，至此，我们的草的模型就已经制作完毕了。

这里简单解释一下UV0和UV1的用途：

UV0主要记录了每一棵草的相对高度，且整体高度被缩放在了0-1之间。这样我们可以在shader里比较容易获取到草的尖端和根部。如果要非常严格的计算草的尖端和根部，也可以对每一根草进行投影、将每一根草的高度缩放到0-1。

UV1里记录了每一棵草根部的位置，之后我们在Shader里计算草所受的力时，需要使用UV1里记录的数据。这样可以避免同一棵草的不同位置，受到不同方向的力，导致错误的拉伸。

02-基础的颜色、和风拂动的效果

模型之后来看看Shader的基础部分。

首先是草的颜色，可以定义三个Color和三个Position，然后根据草的UV0里的y值来插值。颜色的a值我用做了Smoothness。

↑Properties

↑简单的采样

↑最简单的三色渐变

然后是法线部分，我们目前没有在DCC里对草的法线进行处理，草的法线还是默认和表面垂直。这样的效果对于写实风格的草来说或许可行，但对于风格化的草来说就过于杂乱了。在Vertex阶段我们可以将草的法线修改为全部指向天空（float3(0, 1, 0)）。

这里扭转法线的操作是在模型空间进行的（实际上我直接传了float3(0, 1, 0)进去，替换了原来attribute.normal）。法线部分的修改后续还会进一步调整，我们暂且先放在这里。

↑目前的效果

然后我们来看草的受力部分。在演示的示例中，草受到两种力：一个平移的噪声图模拟的风力、和场景内碰撞体产生的推力。为了正确的计算受力，我们需要先算出一个用于计算受力的世界空间坐标。记得我们在制作模型的时候，UV1里存的是每根草的根部的位置信息吗？我们在顶点着色器里先把它还原到模型空间坐标，再转换到世界空间里去。这样每一根草的所有顶点，在世界空间里将会拥有同一个坐标。用这个坐标来计算受力可以幼小的避免模型的过渡拉伸。

然后我们就可以用这个世界空间坐标来采样一张随机的法线噪声了。演示这里的噪声是用Substance Designer里的Cloud噪音、用不同种子填充了RGB三个通道，实际上我们只会用两个通道，另外的通道是给别的shader用的。

采样前用内置的_Time来对UV做平移，然后再对贴图进行采样、缩放到-1到1。这时候我们的风力效果还是完全随机的状态，可以给它加上贴图平移方向的力，来模拟持续的、同方向的风力。这里要注意贴图平移方向和风力方向是一致的、和UV平移方向相反。

到这里，草的随风摇摆，在世界空间位置相近的位置，受力也非常接近，为了让每一棵草都有自己的个性，我们可以用之前计算出的草的位置，求得一个随机的0-1之间的小数。乘在我们之前采样好的平移风力图上。得到风吹拂的效果。

↑使用位置随机0-1的debug效果。使用位置和一个向量点积再乘一个很大的数后截取小数部分，一个经典的伪随机算法

我们的草在收到风力摇摆的时候，顶点在水平方向移动的时候，也会在竖直方向上移动。如果要准确的计算草的弹性形变的话，仅仅在顶点着色器里是很难做到的。这里我们使用一种近似的计算：计算每个草的顶点到垂直于地面的线段，在顶端受横向力开始围绕与地面交点旋转时，下降的高度。

然后就可以把风力对顶点的偏移，加进顶点的世界空间坐标了。这里需要注意，所有的位置偏移在靠近草根部分位置都是逐渐变小的，我们直接把模型空间的y坐标乘在偏移的力上。

↑这里的force.xy其实之前的Wind2D

另外这个时候我们可以对法线做进一步的修改了，因为有风力的加入，我们可以将风场的力加入到对法线的影响里。

↑将float3(0,1,0)和草的顶点偏移求加权平均。1.5是个经验值，可以在GUI上暴露给美术调整。

视频链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/609035535

3- 碰撞交互

计算和物体的交互，核心要点是将物体的碰撞信息传递给草的shader。我们案例里的方法是：使用一个略大于角色（在案例里是个球）的盘型模型，将它的法线通过Render Feature渲染在一张RT上，在草计算受力的时候，再去读取这张RT，和风力结合在一起输出到顶点位移上。

这样做的好处在于：首先，相比于以往传递参数给Shader来计算碰撞的物体数量不受限制。如果在Shader里申明了固定数量的位置、大小等信息来计算碰撞，如果实际需要计算碰撞的参数少于申明的参数则会浪费，多了就会有丢失。另外，我们可以通过控制我们的盘状模型的大小、形状、法线朝向，来模拟出草和草之间互相挤压的效果。

↑受到压力的草会向周围专递压力，用一个受力的代理网格来产生推力，可以避免复杂的迭代计算

来看看我们Render Feature的核心逻辑：首先，定义好正交相机和RT的参数，在Configure()函数里，找到打了Player Tag的GameObject，并以它为中心，调整我们的正交相机、并获取正交相机的透视和投影矩阵。

Execute()里，使用ShaderTag和LayerMask来限制我们的碰撞模型只渲染在我们申请的这一张RT上。使用Context.DrawRenderers()提交我们的渲染命令。

最后，如果申请了Temporary Render Texture，一定记得要释放。

Create()和AddRenderPass()算是常规操作，就不再赘述了。碰撞模型所使用的shader也非常的简单。使用从Feature传出的矩阵做投影变换。然后输出法线。就是记得Shader的Tag和Feature里定义的保持一致。碰撞模型的GameObject碰撞物体的Layer也要设置准确。

如果feature设置成功的话，现在使用FrameDebugger应该可以看到我们已经渲了一张RT出来了。

然后我们回到草的shader部分。我们可以使用此前在Feature里传递出来的相机参数，还原出采样RT所用的UV。

采样之后，我们使用保存在b通道的深度信息和相机的信息，还原出碰撞模型的世界空间高度。我们可以用它和草顶点的相对距离，来计算RT对草推力的影响。

现在我们就已经获得了一个可以交互的草。

视频见链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/609035535

除此之外还有一些额外的风格化处理：我们让被碰撞体压到的草缩小一些。否则在茂密的草丛里，有碰撞体压到草丛会让受力的草戳进旁边的草丛里，看起来会稍显凌乱。

视频见链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/609035535

4-让草的交互富有弹性

到现在我们的草应该能满足一些交互的要求了，但是如果要更近一步，想要草看上去更“物理”、有弹性，我们需要对生成RT的步骤做进一步的处理：

草的受力计算算是中学物理的知识，比较简单就不再赘述。具体在Feature里实现的时候需要注意的一点是：其中计算当前帧的速度、和当前帧草的顶点位移时，都需要用到上一帧保存的速度和位移（上一帧碰撞模型的推力可以通过相机的一帧之内的位移推算出来，所以不需要跨帧保存它）。但是TemporaryRT在每帧结束都会执行FrameCleanUp，所以速度和最后的位移这两张RT需要申请普通的RenderTexture。