Unity Shader ------ UV动画原理及简易实现

Posted 2021-01-22 bfxymy

笔者使用的是 Unity 2018.2.0f2 + VS2017，建议读者使用与 Unity 2018 相近的版本，避免一些因为版本不一致而出现的问题。

 

【Unity Shader】（三） ------ 光照模型原理及漫反射和高光反射的实现

【Unity Shader】（四） ------ 纹理之法线纹理、单张纹理及遮罩纹理的实现

【Unity Shader】（五） ------ 透明效果之半透明效果的实现及原理

【Unity Shader】（六） ------ 复杂的光照（上）

【Unity Shader】（七） ------ 复杂的光照（下）

【Unity Shader】（八） ------ 高级纹理之立方体纹理及光线反射、折射的实现

【Unity Shader】（九） ------ 高级纹理之渲染纹理及镜子与玻璃效果的实现

前言

纯粹的静态美景宛如一张漂亮的贴图，而在游戏中，这种没有一点动画的情况往往是十分无趣且让人感到别扭的。所以本文会介绍一些简单的UV动画。

 

一. 时间变量

在我们写游戏逻辑时，涉及到随时间移动或旋转这种动作时，我们一般都会使用 Time.time 这个变量，同样，在 Unity Shader 中，我们需要实现一些动画时，也需要时间变量。下图是 Unity 内置的时间变量

名称	类别	作用
_Time	float4	t 是从场景加载开始时经历的时间，（t/20 , t , 2t , 3t）
_SinTime	float4	t 是时间的正弦值，(t/8 , t/4 , t/2 ,t)
_CosTime	float4	t 是时间的余弦值，(t/8 , t/4 , t/2 ,t)
unity_DeltaTime	float4	dt 是时间增量，(dt , 1/dt , smoothDt, 1/smoothDT)

 

比如我们使用 _Time.y 时，就相当于 _Time 的 t 变量，即会记录场景加载后经历的时间。下面我们使用它来实现一些效果

 

二. 序列帧动画

 

序列帧动画是一种十分常见的动画，它就像播放电影一样，把一连串的关键帧图像以一定的速度播放出来，看起来就是一段连续的动画。而它的优缺点也十分明显：

• 灵活性强，不需要进行物理上的计算，比如光照，阴影等计算
• 制作序列帧的美术工作量大

本文以制作一个火焰效果为例。我们需要用到一张序列帧图像，读者可以在本文末端下载，也可以使用自己的图像，先看一下我们要实现的效果

 

2.1 准备工作

（1）创建一个场景，这次为了效果明显，我们去掉天空盒子

（2）创建一个 Quad，一个 Material，一个 shader，命名为 SequenceAnimation

（3）准备一张序列帧图像，这里笔者使用的是一张包含了 4 x 4 张关键帧的图像

这 16 张关键帧图像的大小相同，我们要实现的是让它们从左到右，从上到下播放。所以我们要做的就很简单了，只需要在播放时记录下应该播放的关键帧的位置（UV坐标），然后进行采样就行了。

 

2.2 Shader 实现

序列帧图像往往被当成是一个半透明对象，所以我们以对待半透明对象的方法来对待它。如果对半透明原理及实现方法不熟悉的读者可以翻看这篇博文 【Unity Shader】（五） ------ 透明效果之半透明效果的实现及原理

 

I.定义 Properties 块

1     Properties
2     {
3         _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
4         _MainTex ("Sequence Image", 2D) = "white" {}
5         _Speed("Speed", Range(1,100)) = 50
6         _HorizontalAmount ("Horizontal Amount",float) = 4
7         _VerticalAmount ("Vertical Amount",float) = 4
8     }

 

MainTex 对应着我们准备的序列帧图像，Speed 代表播放速度，HorizontalAmount 和 VerticalAmount 代表着图像在水平方向和竖直方向包含的关键帧图像个数。

 

II.定义 Tags

1 Tags{"Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent"}

序列帧图像一般都是透明纹理，所以这里我们设置为 Transparent

 

III. 定义相关属性与做出声明

 1             Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
 2             ZWrite Off
 3             Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
 4 
 5             CGPROGRAM
 6             #pragma multi_compile_fwdbase
 7             #include "UnityCG.cginc"
 8             #pragma vertex vert
 9             #pragma fragment frag
10 
11             fixed4 _Color;
12             sampler2D _MainTex;
13             float4 _MainTex_ST;
14             float _Speed;
15             float _HorizontalAmount;
16             float _VerticalAmount;

由于是半透明物体，所以我们关闭深度写入并开启混合。定义与 Properties 块中想匹配的属性

 

IV. 定义输入输出结构体

 1             struct a2v
 2             {
 3                 float4 vertex : POSITION;
 4                 float4 texcoord : TEXCOORD0;
 5             };
 6 
 7             struct v2f
 8             {
 9                 float4 pos : SV_POSITION;
10                 float2 uv : TEXCOORD0;
11             };

 

这个 shader 中我们主要是计算关键帧的位置和纹理采样，所以输入输出结构体我们不需要太复杂

 

V. 定义顶点着色器

1             v2f vert(a2v v)
2             {
3                 v2f o;
4                 o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
5                 o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
6                 return o;
7             }

 

 我们使用 TRANSFORM_TEX 来得到最终的纹理坐标。我们可以在 UnityCG.cginc 找到 TRANSFORM_TEX 的定义

1 // Transforms 2D UV by scale/bias property
2 #define TRANSFORM_TEX(tex,name) (tex.xy * name##_ST.xy + name##_ST.zw)

name##_ST.xy 代表缩放，name##_ST.zw 代表偏移，这里的 name##_ST 就是我们定义的 _MainTex_ST

 

VI. 定义片元着色器

 1             fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
 2             {
 3                 float time = floor(_Time.y * _Speed);
 4                 float row = floor(time / _HorizontalAmount);
 5                 float colum = time - row * _HorizontalAmount;
 6 
 7                 half2 uv = i.uv + half2(colum, -row);
 8                 uv.x /= _HorizontalAmount;
 9                 uv.y /= _VerticalAmount;
10 
11                 fixed4 c = tex2D(_MainTex, uv);
12                 c.rgb += _Color;
13                 return c;
14             }

 

（1）定义时间变量，记录场景经历的时间，当然要记得乘上播放速度。其中 floor 函数是一个向下取整的函数，我们可以在MSDN上找到它的定义

（2）计算行列索引值。我们使用的序列帧图像是包含 n x n 张关键帧纹理的图像，所以可以把它当做 n x n 的数组。而行列索引值的计算也很好理解。

• 时间 / 行个数 = 行索引
• 时间 - 行个数 * 行索引  =  时间 % 行个数 ，即余数就是列索引

（3）利用索引值得到真正的采样坐标。

• 在原先的 UV 加上一个由第2步求得的行列索引构建成的 half2 ，代表偏移。这个偏移值会随着时间而改变
• 在采样之前要先进行等分，实际上相当于 UV原点 + 偏移量（行索引 / 行等分个数 ， 列索引 / 列等分个数）

（4）最后进行采样并加上主颜色即可

 

 疑惑点：

• 随着时间的增长，变量 time 不是会变得越来越大吗，同时 row 也会越来越大，当 row 很大的时候，采样不会出错吗？
• 进行偏移时，为什么加的是 half2(colum,-row)，而不是 half2(row,colum)?

 

解答点：

（1）

• 随着时间增长，row 会越来越大，所以为了限制 UV 在可采样范围内，我们需要把序列帧图像 Wrap Mode 设置为 Repeat，如下图。
• 在 Repeat 模式下，当 UV 值超过 1 时，会舍弃整数值，使用小数部分进行采样，这样就会形成纹理重复或者说循环的效果。
• 可能有的读者想到使用 % 求余操作，如果只是单纯的求余有可能会导致部分少数的关键帧没有被采集到，因为在 uv 坐标数值上映射不到一些关键帧的位置。当然读者可以自行实现一下。查看效果。

（2）

• 进行偏移时使用的是 half2(colum,-row) 是因为：对 x 轴进行偏移时，我们使用列索引来进行操作，对 y 轴进行偏移时，我们使用行索引来进行操作，所以是 （colum,row）。
• 之所以 row 取负，是因为在 Unity 中进行采样时，竖直方向即 y 轴的坐标顺序是（从下往上递增），而我们所期待的播放顺序是（从上往下递增），两者相反，所以这里的 row 取负

 

VII. 最后关闭 FallBack 或者 Fallback "Transparent/VertexLit" 均可

 

VIII. 完整代码

 1 Shader "Unity/01-SequenceAnimation" 
 2 {
 3     Properties
 4     {
 5         _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
 6         _MainTex ("Sequence Image", 2D) = "white" {}
 7         _Speed("Speed", Range(1,100)) = 50
 8         _HorizontalAmount ("Horizontal Amount",float) = 4
 9         _VerticalAmount ("Vertical Amount",float) = 4
10     }
11     SubShader
12     {
13         Tags{"Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent"}
14 
15         Pass
16         {
17             Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
18             ZWrite Off
19             Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
20 
21             CGPROGRAM
22             #pragma multi_compile_fwdbase
23             #include "UnityCG.cginc"
24             #pragma vertex vert
25             #pragma fragment frag
26 
27             fixed4 _Color;
28             sampler2D _MainTex;
29             float4 _MainTex_ST;
30             float _Speed;
31             float _HorizontalAmount;
32             float _VerticalAmount;
33 
34             struct a2v
35             {
36                 float4 vertex : POSITION;
37                 float4 texcoord : TEXCOORD0;
38             };
39 
40             struct v2f
41             {
42                 float4 pos : SV_POSITION;
43                 float2 uv : TEXCOORD0;
44             };
45 
46             v2f vert(a2v v)
47             {
48                 v2f o;
49                 o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
50                 o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
51                 return o;
52             }
53 
54             fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
55             {
56                 float time = floor(_Time.y * _Speed);
57                 float row = floor(time  _HorizontalAmount);
58 
59                 float colum = time - row * _HorizontalAmount;
60 
61                 half2 uv = i.uv + half2(colum,-row);
62                 uv.x /=  _HorizontalAmount;
63                 uv.y /=  _VerticalAmount;
64 
65                 fixed4 c = tex2D(_MainTex, uv);
66                 c.rgb += _Color;
67                 return c;
68             }
69 
70 
71             ENDCG
72 
73         }
74 
75     }
76     Fallback "Transparent/VertexLit"
77 }

 

IX. 保存，回到 Unity，把准备好的序列帧图像赋予 MainTex 查看效果

 

 

2.3 总结

序列帧动画是一种很常见的应用，读者也许使用 UI 制作过序列帧动画，而本文则是侧重于 shader 的实现。原理也是十分的简单，只是对正确的 UV 坐标做纹理采样。不过需要注意一些细节之处，比如行列索引的相关计算，只要明白这一点，相信读者能十分轻松地理解本例。

 

 

三. 背景滚动

在笔者的童年时，曾玩过红白机，里面的游戏许多都是一些横版过关的游戏。在这种 2D 型游戏中，我们可以发现有许多场景中背景一直在滚动，营造了一种主角在移动的感觉。而在现今的 2D 游戏中，这种滚动的背景依旧是我们常用的，所以此处我们来介绍这种效果的 shader 实现。

先看一下我们要实现的效果：

 

实现这个效果我们使用了两张图像，读者可以在本文末端下载，也可以使用自行准备的图像

 

3.1 准备工作

（1）创建一个场景，去掉天空盒子

（2）创建一个 Quad，一个 Material，一个 shader，命名为 ScrollingBackground，Quad 最好调整为充满屏幕

（3）准备两张图像，一张 “远景”（Far），一张 “近景”（Near）

 

3.2 shader 实现

 

I. 定义 Properties 块

1     Properties {
2         _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
3         _MainTex ("FarLayer ", 2D) = "white" {}
4         _DetailTex("NearLayer ", 2D) = "white" {}
5         _ScrollX ("Far layer scroll Speed",Float) = 1.0
6         _Scroll2X("Near layer scroll Speed",Float) = 1.0
7         _Multiplier ("Layer Multiplier",Float) = 1.0
8     }

_MainTex 代表远景图，这里我使用的是一张纯背景色的图像；_DetailTex 代表近景图，这里我使用的是一张有楼宇的图像；两个 _Scroll 代表了两张图像的滚动速度。_Multiplier 代表了纹理整体亮度，这个如果觉得没必要可以不写。

 

II. 定义相关属性和做出声明

 1 Tags{"Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent"}
 2         Pass
 3         {
 4             Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
 5             ZWrite Off
 6             Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
 7 
 8             CGPROGRAM
 9             #include "UnityCG.cginc"
10             #pragma multi_compile_fwdbase
11             #pragma vertex vert
12             #pragma fragment frag
13 
14             fixed4 _Color;
15             sampler2D _MainTex;
16             float4 _MainTex_ST;
17             sampler2D _DetailTex;
18             float4 _DetailTex_ST;
19             float _ScrollX;
20             float _Scroll2X;
21             float _Multiplier;

 我们同样把它当做透明物体看待，关闭深度写入和开启混合，再定义相匹配的变量

 

III. 定义输入输出结构体

 1             struct a2v
 2             {
 3                 float4 vertex : POSITION;
 4                 float4 texcoord : TEXCOORD0;
 5             };
 6 
 7             struct v2f
 8             {
 9                 float4 pos : SV_POSITION;
10                 float4 uv : TEXCOORD0;
11             };

这里只是简单的处理图片采样，所以输入输出结构体比较简单

 

IV. 定义顶点着色器

1     v2f vert(a2v v)
2     {
3         v2f o;
4         o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
5         o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex) + frac(float2(_ScrollX, 0.0) * _Time.y);
6         o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _DetailTex) + frac(float2(_Scroll2X, 0.0) * _Time.y);
7         return o;
8     }

 

我们使用一个插值寄存器存储两张纹理的坐标，两张纹理都进行了同样的操作：先回复到正确的纹理坐标，再在水平方向上进行偏移 。我们使用了 frac 函数进行偏移，有关 frac 函数的定义，我们可以在 MSDN 上找到

 

 

 

这个函数会返回参数 x 的小数部分，相当于在 0 ~ 1 之间循环，纹理会在水平方向上循环偏移

 

V. 定义片元着色器

1     fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
2     {
3         fixed4 firstLayer = tex2D(_MainTex,i.uv.xy);
4         fixed4 secondLayer = tex2D(_DetailTex, i.uv.zw);
5         fixed4 c = lerp(firstLayer, secondLayer, secondLayer.a);
6         c.rgb *= _Multiplier;
7         c.rgb *= _Color.rgb;
8         return c;
9     }

片元着色器比较简单，主要是对两张纹理采样，然后进行混合

 

VI. 最后关闭 FallBack 或者 Fallback "VertexLit" 均可

 

VII. 完整代码

 1 Shader "Unity/02-ScrollingBackground" {
 2     Properties {
 3         _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
 4         _MainTex ("FarLayer ", 2D) = "white" {}
 5         _DetailTex("NearLayer ", 2D) = "white" {}
 6         _ScrollX ("Far layer scroll Speed",Float) = 1.0
 7         _Scroll2X("Near layer scroll Speed",Float) = 1.0
 8         _Multiplier ("Layer Multiplier",Float) = 1.0
 9     }
10     SubShader 
11     {
12         Tags{"Queue" = "Transparent" "IgnoreProjector" = "True" "RenderType" = "Transparent"}
13         Pass
14         {
15             Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
16             ZWrite Off
17             Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
18 
19             CGPROGRAM
20             #include "UnityCG.cginc"
21             #pragma multi_compile_fwdbase
22             #pragma vertex vert
23             #pragma fragment frag
24 
25             fixed4 _Color;
26             sampler2D _MainTex;
27             float4 _MainTex_ST;
28             sampler2D _DetailTex;
29             float4 _DetailTex_ST;
30             float _ScrollX;
31             float _Scroll2X;
32             float _Multiplier;
33 
34 
35             struct a2v
36             {
37                 float4 vertex : POSITION;
38                 float4 texcoord : TEXCOORD0;
39             };
40 
41             struct v2f
42             {
43                 float4 pos : SV_POSITION;
44                 float4 uv : TEXCOORD0;
45             };
46 
47             v2f vert(a2v v)
48             {
49                 v2f o;
50                 o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
51                 o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex) + frac(float2(_ScrollX, 0.0) * _Time.y);
52                 o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _DetailTex) + frac(float2(_Scroll2X, 0.0) * _Time.y);
53                 return o;
54             }
55 
56             fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
57             {
58                 fixed4 firstLayer = tex2D(_MainTex,i.uv.xy);
59                 fixed4 secondLayer = tex2D(_DetailTex, i.uv.zw);
60                 fixed4 c = lerp(firstLayer, secondLayer, secondLayer.a);
61                 c.rgb *= _Multiplier;
62                 c.rgb *= _Color.rgb;
63                 return c;
64             }
65 
66             ENDCG
67         }
68     }
69     FallBack "VertexLit"
70 }

 

 VIII. 回到 Unity ，把准备好的图像赋予 shader ，查看效果

 

 

3.3 总结

背景滚动是十分常用的技术，实现起来也是比较简单，只是对纹理坐标进行水平上的循环偏移，然后进行采样即可，关于视觉效果，读者则可以按照自己喜欢进行调参。 

 

四. 总结

本文介绍了两种纹理动画，在实现上思路相似，都是对 UV 值进行偏移修改，然后对纹理进行采样。纹理动画实现起来是比较简单的，与之相关的另外一种动画，称为顶点动画，我们将在下一篇博文中介绍这种动画效果并列出值得注意的事项。

虽然纹理动画并不复杂，但其仍然是我们常用的技术实现。本文篇幅不多，希望能对读者学 UV 动画这一知识点有所帮助。