利用GPU实现翻页效果

0x00 前言

有一段时间没有更新博客了，在考虑写点什么的时候正好赶上了这个月我的书《Unity 3D脚本编程》又加印了。因此写篇小文聊聊利用shader来实现翻书的效果吧。
虽然本文是这个周日下午雨天的临时起意，而演示的Demo也有广告之嫌，但是还是希望各位看官如果觉得有收获的话能够点赞支持。

0x01 Vertex Shader

之前看到过类似“Unity怎么实现类似书本的翻页效果”之类的问题，答案大多是利用现成的插件来实现，这听上去似乎并没有实际上解决这个问题。后来又看到过一些更靠谱的解决方案例如利用UGUI的vertex modifier修改顶点、或者使用骨骼动画。
等一下，修改顶点？
修改网格数据这事没有必要一定要在cpu上进行，我们把这活放到GPU上让它来实现顶点的修改是不是更有趣一点呢。
事实上我们只需要一个Plane，在vs中根据某个属性来修改它顶点的x值和y值。

而一个最简单的修改方案，就是根据玩家的翻页角度theta来更改顶点的坐标。

	float4 flip_book(float4 vertex)
	{

                    ...
		temp.x = vertex.x * cos(theta);
		temp.y = vertex.x * sin(theta);

		vertex = temp;

		return vertex;
	}

那么theta的值是怎么来的呢？一页书的翻动角度在[0,180]之间，变成弧度值就是[0,π]，因此我们只需要在脚本中计算玩家拖动的距离和总长度的一个比例ratioValue，将这个ratioValue传递给vs后再和π相乘就求得了theta。

因此，在C#脚本中就需要使用这几个接口了。

 IDragHandler, IPointerDownHandler, IPointerUpHandler

这样，在只经过一个pass的情况下，翻页的初步效果已经实现了。

但是如果翻过90°，可以发现此时不仅第二页没有内容，而且第一页的背面也是空的。

因此，我们还需要另外2个Pass分别渲染第一页的背面和第二页的内容。

0x02 3个Pass

ok，接下来我们就来完成第二个pass。

	fixed4 frag_flip_back (v2f i) : SV_Target
	{
		i.uv.x = 1 - i.uv.x;
		fixed4 col = tex2D(_BackTex, i.uv);
		return col;
	}
	//翻起来的背面
	Pass
	{
		Cull Front

		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert_flip
		#pragma fragment frag_flip_back
		ENDCG
	}

其实很简单，只需要剔除正面，修改一下uv，然后正常的采用背面的纹理_BackTex就ok了。

可以看到当书页被翻过90°之后，书页的背面已经能够正确的显示了。

之后就是最后一个pass了，我们用这个pass来显示第二页的内容。其实这个pass很简单，仍然是只需要正常的采用背面的纹理_BackTex就ok了。但是这里要注意一个问题，那就是深度的问题。还记得第一个pass吗？第一个pass绘制了第一页的内容。但是最后一个pass同样也要绘制页面的内容，而且默认情况下深度会覆盖第一个pass绘制的内容。

因此，我们要在最后一个pass中正确的处理深度问题，所以我在这里使用了Offset。

	//第二页
	Pass
	{
		Cull Back
		Offset 1, 1

		CGPROGRAM

		#pragma vertex vert_next_page
		#pragma fragment frag_flip_back

		ENDCG
	}

OK，shader部分完工了。之后我们只需要在C#脚本中简单的确定当前的页数，来设置相应的前页的tex和后页的tex给shader。
最后的结果大概是这个样子的。

0x03 Update一下

当然，为了让翻书的效果更自然，为翻动中的书页增加一些弧度似乎是一个不错的选择。
其实原理也并不复杂，在vs修改顶点位置的时候处理就好了。首先来看看翻页时候页面弯曲的一个大概形状，似乎有点像钟型？
而一说到钟型，各位应该能够想到高斯函数了吧？
所以，接下来我们画一个简单的高斯函数图形。

（推荐一下这个在线图形计算器）
它大概就长这样。
所以在vs修改顶点坐标时，把这个高斯函数考虑进去，就能够获取一个更自然的效果了。

		float flipCurve = exp(-0.1 * pow(vertex.x - 0.5, 2)) * _CurPageAngle;

		theta += flipCurve;

		temp.x = vertex.x * cos(clamp(theta, 0, pi));
		temp.y = vertex.x * sin(clamp(theta, 0, pi));

不过这里又有一个新的问题需要考虑，就是变成了弧形的书页可能会导致深度上的问题。
这个问题主要是在第二个pass，在翻书和前一页快重合时，因为第二个pass中的某些顶点的深度要大于第一个pass的深度，从而造成穿帮。所以在第二个pass的时候就要加上Offset -1 -1了。

    //翻起来的背面
	Pass
	{
		Cull Front
		Offset -1, -1

		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert_flip
		#pragma fragment frag_flip_back
		ENDCG
	}

当然，这个demo的代码各位可以在这里获取：
chenjd/Unity-Flip-Book-With-Shader

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