Unity3Dのアニメーション化された宇宙船シールド効果

• シェーダー
• 頂点シェーダー
• フラグメント/ピクセルシェーダー
• UV座標

• テクスチャを透明度マップとして使用し、色をシールドカラーとして使用する基本的な半透明シェーダー
• フレネル効果
• シールド応答
• アニメーション

ベースシェーダー

Shader "Unlit/NewUnlitShader" { Properties { _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 100 Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag // make fog work #pragma multi_compile_fog #include "UnityCG.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; UNITY_FOG_COORDS(1) float4 vertex : SV_POSITION; }; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex); UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex); return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv); // apply fog UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col); return col; } ENDCG } } } 

1. 名前をShields / Transparentに変更します。これを行うには、 Shader "Unlit/NewUnlitShader"ラインShader "Unlit/NewUnlitShader"をShader "Shields/Transparent"に置き換えます。
2. ユニット内の半透明の要素は、特別な方法で別のキューに描画されます。このため、 Tags { "RenderType"="Opaque" }をTags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }置き換えることで、シェーダーが半透明であることをユニットに通知する必要がありTags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }
   半透明の要素を描画するには、特別なブレンドモードを設定する必要があります。 Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" }後に行Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha追加します。
   
   また、Z-Bufferのエントリを無効にする必要があります-不透明なオブジェクトをソートするために使用され、半透明のオブジェクトをレンダリングするためにのみ干渉します。 これを行うには、次の行を追加します
   
   

    ZWrite Off 

   
   後
   
   

    Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" } 

   
   
3. シールド効果は、ユニットに組み込まれたフォグ効果と一緒に使用されないため、シェーダーからすべての参照を削除します-ラインを削除します
   
   

    UNITY_FOG_COORDS(1) 

   
   

    UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex) 

   
   

    UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col) 

1. これで、シェーダーには入力パラメーターが1つだけになりました。テクスチャー、入力パラメーターとして色を追加し、テクスチャーパラメーターの名前をTransparency Maskに変更します。 ユニットでは、シェーダーの入力パラメーターはPropertiesブロック内で設定されますが、次のようになります。
   
   

    Properties { _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} } 

   
   入力パラメーターの色を追加し、テクスチャの名前を変更します。
   
   

    Properties { _ShieldColor("Shield Color", Color) = (1, 0, 0, 1) _MainTex ("Transparency Mask", 2D) = "white" {} } 

   
   Propertiesブロックで設定された入力パラメーターを頂点シェーダーおよびフラグメントシェーダーで使用可能にするには、シェーダーパッセージ内で変数として宣言する必要があります-行を挿入します
   
   

     float4 _ShieldColor; 

   
   行の前
   
   

    v2f vert (appdata v) 

   
   公式ドキュメントでパラメーターをシェーダーに渡す方法の詳細を読むことができます 。
2. 単一ピクセルの色は、フラグメントシェーダーの戻り値によって決まります。
   これは次のようになります。
   
   

    fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv); return col; } 

   
   
   v2fとは

   ここで、 v2fは、画面上の特定のピクセルに対して補間された頂点シェーダーの戻り値です
   
   

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

   
   uvピクセルテクスチャ座標
   vertext画面座標のピクセル座標
   
   
   この単純な関数は、頂点シェーダーから取得したテクスチャ座標でテクスチャから色を取得し、ピクセルの色として返します。 テクスチャカラーを透明マスクとして使用する必要があり、その色はシェーダーパラメータから取得する必要があります。
   
   次のことを行います。
   
   

    fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 transparencyMask = tex2D(_MainTex, i.uv); return fixed4(_ShieldColor.r, _ShieldColor.g, _ShieldColor.b, transparencyMask.r); } 

   
   つまり、以前と同じようにテクスチャをサンプリングしますが、その色を直接返す代わりに、 _ShieldColorとして、テクスチャの赤い色から_ShieldColorしたアルファチャネルを持つ色を返します。
   
3. テクスチャを変更せずにシールドの半透明度を調整できるように、シールド強度係数という別のパラメータを追加します。
   
   読者は自分でそれを行うか、ネタバレを見ることを提案します。
   
   
   非表示のテキスト

    Properties { _ShieldIntensity("Shield Intensity", Range(0,1)) = 1.0 _ShieldColor("Shield Color", Color) = (1, 0, 0, 1) _MainTex ("Transparency Mask", 2D) = "white" {} } 

   
   

    float _ShieldIntensity; fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 transparencyMask = tex2D(_MainTex, i.uv); return fixed4(_ShieldColor.r, _ShieldColor.g, _ShieldColor.b, _ShieldIntensity * transparencyMask.r); } 

   
   
   
   

以下、このシームレスなノイズテクスチャを使用します

 Shader "Shields/Transparent" { Properties { _ShieldIntensity("Shield Intensity", Range(0,1)) = 1.0 _ShieldColor("Shield Color", Color) = (1, 0, 0, 1) _MainTex ("Transparency Mask", 2D) = "white" {} } SubShader { Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" } ZWrite Off Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float3 normal: NORMAL; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float4 vertex : SV_POSITION; }; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; float4 _ShieldColor; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex); return o; } float _ShieldIntensity; fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 transparencyMask = tex2D(_MainTex, i.uv); return fixed4(_ShieldColor.r, _ShieldColor.g, _ShieldColor.b, _ShieldIntensity * transparencyMask.r); } ENDCG } } } 

フレネル効果

1. 最初に、シェーダーを新しいファイルにコピーし、Shields / Fresnelに名前を変更して、変更履歴を保持します。
2. 式からわかるように、 Bias,
Scale, PowerシェーダーBias,
Scale, Power 3つの新しいパラメーターが必要ですBias,
Scale, Power Bias,
Scale, Power Bias,
Scale, Power 。 読者がシェーダーにパラメーターを追加する方法を既に学んでおり、これを行う方法についての詳細な指示を与えないことを願っています。 困難な場合は、セクションの最後にある完全なコードをいつでも見ることができます
3. 頂点シェーダーでIとNを計算します。 シェーダーの頂点シェーダーはv2f vert (appdata v)関数v2f vert (appdata v)戻り値は前述のv2f構造体であり、 appdataはメッシュから取得した頂点パラメーターです。
   
   
   appdataとは

    struct appdata { float4 vertex : POSITION; float3 normal: NORMAL; float2 uv : TEXCOORD0; }; 

   
   vertex -ローカル座標のvertex座標
   normalこの頂点に指定されたサーフェスの法線
   uv頂点テクスチャ座標
   
   
   I-カメラからワールド座標でのトップへの方向-は、トップのワールド座標とカメラのワールド座標の差として計算できます。 Unityシェーダーでは、ローカル座標からワールド座標への遷移マトリックスはunity_ObjectToWorld変数で使用でき、ワールドカメラ座標は_WorldSpaceCameraPos変数で使用_WorldSpaceCameraPosます。 これを知って、頂点シェーダーコードの次の行でIを計算できます。
   
   

    float4 worldVertex = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); float3 I = normalize(worldVertex - _WorldSpaceCameraPos.xyz); 

   
   N-世界座標の表面法線-計算がさらに簡単：
   
   

     float3 normWorld = normalize(mul(unity_ObjectToWorld, v.normal)); 

   
   
4. これで、フレネル効果の式に従ってシールドの不透明度を計算できます。
   
   

    float fresnel = _Bias + _Scale * pow(1.0 + dot(I, normWorld), _Power); 

   
   変数の特定の値のフレネル値が0未満になる可能性があることに気付くかもしれません。これにより、レンダリング時に色のアーチファクトが生じます。 saturate関数を使用して、変数の値を区間[0; 1]に制限します。
   
   

    float fresnel = saturate(_Bias + _Scale * pow(1.0 + dot(I, normWorld), _Power)); 

   
   
5. この値をピクセルシェーダーに転送するためだけに残ります。 これを行うには、強度フィールドをv2f構造に追加します。
   
   

    struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float intensity : COLOR0; float4 vertex : SV_POSITION; }; 

   
   （ COLOR0はセマンティクスであり、それが何であるかの説明はこの記事の範囲外です。興味のある人はhlslのセマンティクスについて読むことができます）。
   
   これで、頂点シェーダーでこのフィールドを埋め、フラグメントシェーダーで使用できます。
   
   

    v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex); float4 worldVertex = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); float3 normWorld = normalize(mul(unity_ObjectToWorld, v.normal)); float3 I = normalize(worldVertex - _WorldSpaceCameraPos.xyz); float fresnel = saturate(_Bias + _Scale * pow(1.0 + dot(I, normWorld), _Power)); o.intensity = fresnel; return o; } float _ShieldIntensity; fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 transparencyMask = tex2D(_MainTex, i.uv); return fixed4(_ShieldColor.r, _ShieldColor.g, _ShieldColor.b, (_ShieldIntensity + i.intensity) * transparencyMask.r); } 

   
   _ShieldIntensityとi.intensityが頂点シェーダーに追加できるようになったことがわかります。
   

 Shader "Shields/Fresnel" { Properties { _ShieldIntensity("Shield Intensity", Range(0,1)) = 1.0 _ShieldColor("Shield Color", Color) = (1, 0, 0, 1) _MainTex ("Transparency Mask", 2D) = "white" {} _Bias("Bias", float) = 1.0 _Scale("Scale", float) = 1.0 _Power("Power", float) = 1.0 } SubShader { Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Transparent" } ZWrite Off Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float3 normal: NORMAL; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float intensity : COLOR0; float4 vertex : SV_POSITION; }; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; float4 _ShieldColor; float _ShieldIntensity; float _Bias; float _Scale; float _Power; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex); float4 worldVertex = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); float3 normWorld = normalize(mul(unity_ObjectToWorld, v.normal)); float3 I = normalize(worldVertex - _WorldSpaceCameraPos.xyz); float fresnel = saturate(_Bias + _Scale * pow(1.0 + dot(I, normWorld), _Power)); o.intensity = fresnel + _ShieldIntensity; return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 transparencyMask = tex2D(_MainTex, i.uv); return fixed4(_ShieldColor.r, _ShieldColor.g, _ShieldColor.b, i.intensity * transparencyMask.r); } ENDCG } } } 

ヒット図面

1. 効果を実装するために、シェーダーは何らかの方法でヒットが発生したポイントと時間を検出する必要があります。 GameObjectシールドのスクリプトは、これらの引数の受け渡しに関与します。c＃スクリプトはこの記事の主題ではないため、スクリプトのソースコードを簡単に示します。
   
   
   シールド付きオブジェクトのスクリプトリスト

    public class ShieldHitter : MonoBehaviour { private static int[] hitInfoId = new[] { Shader.PropertyToID("_WorldHitPoint0"), Shader.PropertyToID("_WorldHitPoint1"), Shader.PropertyToID("_WorldHitPoint2") }; private static int[] hitTimeId = new[] { Shader.PropertyToID("_HitTime0"), Shader.PropertyToID("_HitTime1"), Shader.PropertyToID("_HitTime2") }; private Material material; void Start() { if (material == null) { material = this.gameObject.GetComponent<MeshRenderer>().material; } } int lastHit = 0; public void OnHit(Vector3 point, Vector3 direction) { material.SetVector(hitInfoId[lastHit], point); material.SetFloat(hitTimeId[lastHit], Time.timeSinceLevelLoad); lastHit++; if (lastHit >= hitInfoId.Length) lastHit = 0; } void OnCollisionEnter(Collision collision) { OnHit(collision.contacts[0].point, Vector3.one); } } 

   
   
   
   
   カメラスクリプトリスト

    using UnityEngine; [ExecuteInEditMode] public class CameraControls : MonoBehaviour { private const int minDistance = 25; private const int maxDistance = 25; private const float minTheta = 0.01f; private const float maxTheta = Mathf.PI - 0.01f; private const float minPhi = 0; private const float maxPhi = 2 * Mathf.PI ; [SerializeField] private Transform _target; [SerializeField] private Camera _camera; [SerializeField] [Range(minDistance, maxDistance)] private float _distance = 25; [SerializeField] [Range(minTheta, maxTheta)] private float _theta = 1; [SerializeField] [Range(minPhi, maxPhi)] private float _phi = 2.5f; [SerializeField] private float _angleSpeed = 2.0f; [SerializeField] private float _distanceSpeed = 2.0f; // Update is called once per frame void Update () { if (_target == null || _camera == null) { return; } if (Application.isPlaying) { if (Input.GetKey(KeyCode.Q)) { _distance += _distanceSpeed * Time.deltaTime; } if (Input.GetKey(KeyCode.E)) { _distance -= _distanceSpeed * Time.deltaTime; } Mathf.Clamp(_distance, minDistance, maxDistance); if (Input.GetKey(KeyCode.A)) { _phi += _angleSpeed * Time.deltaTime; } if (Input.GetKey(KeyCode.D)) { _phi -= _angleSpeed * Time.deltaTime; } _phi = _phi % (maxPhi); if (Input.GetKey(KeyCode.S)) { _theta += _angleSpeed * Time.deltaTime; } if (Input.GetKey(KeyCode.W)) { _theta -= _angleSpeed * Time.deltaTime; } _theta = Mathf.Clamp(_theta, minTheta, maxTheta); Vector3 newCoords = new Vector3 { x = _distance * Mathf.Sin(_theta) * Mathf.Cos(_phi), z = _distance * Mathf.Sin(_theta) * Mathf.Sin(_phi), y = _distance * Mathf.Cos(_theta) }; this.transform.position = newCoords + _target.position; this.transform.LookAt(_target); if (Input.GetMouseButtonDown(0)) { Ray ray = _camera.ScreenPointToRay(Input.mousePosition); RaycastHit hit; var isHit = Physics.Raycast(ray, out hit); if (isHit) { ShieldHitter handler = hit.collider.gameObject.GetComponent<ShieldHitter>(); Debug.Log(hit.point); if (handler != null) { handler.OnHit(hit.point, ray.direction); } } } } } } 

   
   
   
   
2. 前回同様、シェーダーを新しい名前Shields / FresnelWithHitsで保存します
3. アイデアは、シールドの各ポイントの隣のヒットからシールドの摂動を計算することであり、ヒットが早く発生するほど、シールドの摂動への影響が少なくなります。
   
   次の式を選択しました。

   $$

   $$強度=（1-時間）*（1 /距離-1）$$
   
   ここで：
   distance最大値からヒットポイントまでの距離の一部、[0、1]
   time-最大からの寿命の割合、[0、1]
   したがって、強度は衝突点までの距離に反比例し、
   ヒットの終了までの残り時間に比例し、最大値以上の距離および残り時間が0の場合は0にもなります。
   
   時間と距離の範囲を制限することなく、これらの条件を満たす関数を見つけたいのですが、これだけです。
   
4. シェーダーでヒットの効果を描画すると、必然的に同時に処理されるヒットの数に制限が課せられます。たとえば、同時に表示される3つのヒットを選択しました。 シェーダーに入力パラメーターWorldHitPoint0、WorldHitPoint1、WorldHitPoint2、HitTime0、HitTime1、HitTime2を追加-同時に処理される各ヒットのペア。 また、MaxDistanceパラメーター（ヒットからのシールド妨害の最大距離）とHitDuration（ヒットからのシールド妨害の持続時間）も必要です。
5. 各ヒットについて、頂点シェーダーの時間と距離を計算します
   
   

    float t0 = saturate((_Time.y - _HitTime0) / _HitDuration); float d0 = saturate(distance(worldVertex.xyz, _WorldHitPoint0.xyz) / (_MaxDistance)); float t1 = saturate((_Time.y - _HitTime1) / _HitDuration); float d1 = saturate(distance(worldVertex.xyz, _WorldHitPoint1.xyz) / (_MaxDistance)); float t2 = saturate((_Time.y - _HitTime2) / _HitDuration); float d2 = saturate(distance(worldVertex.xyz, _WorldHitPoint2.xyz) / (_MaxDistance)); 

   
   次の式で総ヒット率を計算します。
   
   

    float hitIntensity = (1 - t0) * ((1 / (d0)) - 1) + (1 - t1) * ((1 / (d1)) - 1) + (1 - t2) * ((1 / (d2)) - 1); 

   
   ヒットからのシールドの強度と他の効果からの強度を追加するためにのみ残ります：
   
   

    o.intensity = fresnel + _ShieldIntensity + hitIntensity; 

   
   
6. マテリアルをセットアップし、正しい距離と出来上がり値を設定します。
   
   
   
   もう十分ですよね？ しかし、1つの問題があります。 シールドの背面のヒットは表示されません。 これは、デフォルトでは、法線がカメラから遠ざかる方向にあるポリゴンが描画されないためです。 グラフィックエンジンにそれらを描画させるには、 ZWrite Off後にZWrite Off Cull offラインを追加する必要があります。 しかし、ここで問題に直面しています。
   最後のセクションで実装されたフレネル効果は、カメラから見たすべてのポリゴンを強調表示します-数式を
   
   

    float dt = dot(I, normWorld); fresnel = saturate(_Bias + _Scale * pow(1.0 - dt * dt, _Power)); 

   
   初期式はすでに近似値であるため、正方形を使用しても結果に大きな影響はなく（他のパラメーターで修正できます）、高価な分岐演算子を追加したり、高価なsqrtを使用したりすることはできません。
   
   開始、確認、および：
   
   
   
   今ではすべてがとても良いです。
   
7. 最後にもう1つ、「活気」の効果を与えるために、ノイズのテクスチャ座標に現在の時間を追加して、球の周りを移動するシールドの効果を作成できます。
   
   

    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex) + _Time.x / 6; 

   
   

 Shader "Shields/FresnelWithHits" { Properties { _ShieldIntensity("Shield Intensity", Range(0,1)) = 1.0 _ShieldColor("Shield Color", Color) = (1, 0, 0, 1) _MainTex ("Transparency Mask", 2D) = "white" {} _Bias("Bias", float) = 1.0 _Scale("Scale", float) = 1.0 _Power("Power", float) = 1.0 _WorldHitPoint0("Hit Point 0", Vector) = (0, 1, 0, 0) _WorldHitTime0("Hit Time 0", float) = -1000 _WorldHitPoint1("Hit Point 1", Vector) = (0, 1, 0, 0) _WorldHitTime1("Hit Time 1", float) = -1000 _WorldHitPoint2("Hit Point 2", Vector) = (0, 1, 0, 0) _WorldHitTime2("Hit Time 2", float) = -1000 _HitDuration("Hit Duration", float) = 10.0 _MaxDistance("MaxDistance", float) = 0.5 } SubShader { Tags { "Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Transparent" } ZWrite Off Cull Off Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float3 normal: NORMAL; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float intensity : COLOR0; float4 vertex : SV_POSITION; }; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; float4 _ShieldColor; float _ShieldIntensity; float _Bias; float _Scale; float _Power; float _MaxDistance; float _HitDuration; float _HitTime0; float4 _WorldHitPoint0; float _HitTime1; float4 _WorldHitPoint1; float _HitTime2; float4 _WorldHitPoint2; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex) + _Time.x / 6; float4 worldVertex = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); float3 normWorld = normalize(mul(unity_ObjectToWorld, v.normal)); float3 I = normalize(worldVertex - _WorldSpaceCameraPos.xyz); float fresnel = 0; float dt = dot(I, normWorld); fresnel = saturate(_Bias + _Scale * pow(1.0 - dt * dt, _Power)); float t0 = saturate((_Time.y - _HitTime0) / _HitDuration); float d0 = saturate(distance(worldVertex.xyz, _WorldHitPoint0.xyz) / (_MaxDistance)); float t1 = saturate((_Time.y - _HitTime1) / _HitDuration); float d1 = saturate(distance(worldVertex.xyz, _WorldHitPoint1.xyz) / (_MaxDistance)); float t2 = saturate((_Time.y - _HitTime2) / _HitDuration); float d2 = saturate(distance(worldVertex.xyz, _WorldHitPoint2.xyz) / (_MaxDistance)); float hitIntensity = (1 - t0) * ((1 / (d0)) - 1) + (1 - t1) * ((1 / (d1)) - 1) + (1 - t2) * ((1 / (d2)) - 1); o.intensity = fresnel + _ShieldIntensity + hitIntensity; return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // sample the texture fixed4 transparencyMask = tex2D(_MainTex, i.uv); return fixed4(_ShieldColor.r, _ShieldColor.g, _ShieldColor.b, saturate(i.intensity * transparencyMask.r)); } ENDCG } } } 

あとがきの代わりに：最適化

• 未使用の除去：フレネル効果、ベース半透明シールド-これはすべて無料ではありません。コンポーネントの一部が不要な場合は、それらを削除する必要があります。
• t0、t1、t2は、スクリプトの各シールドのフレームごとに1回、CPUで読み取ることができます。 したがって、3つの飽和と多くの計算を削除できます。
• 精度が低い浮動小数点数を使用すると、多くの場所で、floatの代わりにfixedまたはhalfで取得できます。
• 画面に多くのシールドが描かれている場合、インスタンス化の使用を検討することは理にかなっています。