【Unity3D】花瓣特效
1 花瓣绘制原理
如下图是实现的花瓣特效效果，为方便描述，我们将每个红色的扁状长条称为花瓣，每个花瓣中心的绿点称为花蕊，花朵的正中心称为花心。
我们在 xOz 平面上绘制花朵，假设花心为 O 点，其世界坐标为 _Center， 花瓣个数为 _PetalNum，花瓣半长度和半宽度分别为 _PetalLength、_PetalWidth，背景、花心、花蕊、花瓣的颜色分别为 _BackgoundColor、_HeartColor、_StamenColor、_PetalColor；对于平面上任意一点 P， 其世界坐标为 worldPos，其最终着色的颜色为 color，下面将逐步求解 color 的计算过程。
本文完整资源见→Unity3D花瓣特效。
1.1 花瓣坐标轴上投影坐标计算过程
为方便顶点着色，我们需要知道与顶点 P 最近的花蕊坐标，将该花蕊记为 S 点，其坐标记为 stamen，然后再计算 SP 在该花瓣坐标轴上的投影坐标（即图中 SP 在 SM 和 SN 方向上的投影）。
1）计算 OS 的旋转角度
由于 Unity 世界坐标系是左手坐标系，旋转正方向的定义遵循左手法则（详见→空间和变换），即 xOz 平面上旋转正方向为顺时针方向。为简化计算，我们定义旋转零度方向为 z 轴正方向。因此，向量 OS 的旋转角度计算如下。
float3 vertVec = worldPos - _Center; // 向量OP
float proj = dot(normalize(vertVec), float3(0, 0, 1)); // OP在OZ上的投影
float angle = acos(proj); // 向量OP的角度
if (vertVec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
angle = UNITY_TWO_PI - angle;
}
float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum; // 每个花瓣的角度
float nearAngle = round(angle / delta) * delta; // 向量OS的角度
2）计算 S 点坐标
float3 vec = float3(sin(nearAngle), 0, cos(nearAngle)); // 向量OS的单位方向向量
float3 stamen = _Cenetr + vec * _PetalLength; // S点坐标(离P点最近的花蕊坐标)
3）计算 SP 在花瓣坐标轴上的投影坐标
float vec1 = worldPos - stamen; // 向量SP
float vec2 = normalize(stamen - _Center); // 向量SM的单位方向向量
float x = abs(dot(vec1, vec2)); // SP在SM轴上的投影
float y = sqrt(dot(vec1, vec1) - x * x); // SP在SN轴上的投影
float2 proj = float2(x, y); // SP在花瓣坐标轴上的投影坐标
由于花瓣具有对称性，为方便计算，我们只取投影的绝对值。
1.2 顶点着色过程
为了使花瓣、花蕊、花心边缘着色平滑，我们使用了 smoothstep 函数（详见→Shader常量、变量、结构体、函数）。
1）花瓣着色
float rate1 = smoothstep(_PetalLength, 0, proj.x) * smoothstep(_PetalWidth, 0, proj.y); // 顶点属于花瓣的比例
fixed4 color1 = lerp(_BackgroundColor, _PetalColor, rate1); // 混合花瓣颜色
2）花蕊着色
float stamenWidth = _PetalWidth * 0.25; // 花蕊宽度(花蕊占花瓣宽度的比例可以调整)
float len2 = length(worldPos - stamen); // 向量SP的模长(顶点离花蕊的长度)
float rate2 = smoothstep(stamenWidth, 0, len2); // 顶点属于花蕊的比例
fixed4 color2 = lerp(color1, _StamenColor, rate2); // 混合花蕊颜色
3）花心着色
float heartWidth = _PetalLength * 0.4; // 花心宽度(花心占花瓣长度的比例可以调整)
float len3 = length(worldPos - _Center); // 向量OP的模长(顶点离花心的长度)
float rate3 = smoothstep(heartWidth, 0, len3); // 顶点属于花蕊的比例
fixed4 color = lerp(color2, _HeartColor, rate3); // 混合花心颜色
2 绽放花瓣特效
2.1 花瓣绽放原理
调整花瓣的长度和宽度，使其随时间同步周期性变化，从而实现花瓣绽放效果，如下。
float time = _Time.y * _Speed;
_PetalWidth = fmod(time * 0.2, 0.9) + 0.1;
_PetalLength = fmod(time * 1.1111, 5) + 1;
其中 _Speed 为花瓣长度、宽度的变化速度，外部可以调整该参数。
2.2 花瓣绽放实现
FlowerEffect.shader
Shader "MyShader/FlowerEffect" { // 绽放花瓣特效
Properties{
_BackgroundColor("BackgroundColor", Color) = (1, 1, 1, 1) // 地面颜色
_PetalColor("PetalColor", Color) = (1, 0, 0, 1) // 花瓣颜色
_StamenColor("StamenColor", Color) = (0, 1, 0, 1) // 花蕊颜色
_HeartColor("_HeartColor", Color) = (1, 1, 0, 1) // 花心颜色
_Center("Center", Vector) = (0, 0, 0, 0) // 花心坐标
_PetalNum("PetalNum", Range(3, 30)) = 15 // 花瓣个数
_PetalWidth("PetalWidth", Range(0.1, 1)) = 0.5 // 花瓣宽度
_PetalLength("PetalLength", Range(1, 20)) = 2 // 花瓣长度
_Speed("Speed", Range(0.2, 5)) = 1 // 花瓣宽度、长度的变化速度
}
SubShader{
Pass {
CGPROGRAM
#include "UnityCG.cginc"
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
fixed4 _BackgroundColor; // 背景颜色
fixed4 _PetalColor; // 花瓣颜色
fixed4 _StamenColor; // 花蕊颜色
fixed4 _HeartColor; // 花心颜色
float4 _Center; // 花蕊中心
int _PetalNum; // 花瓣个数
float _PetalWidth; // 花瓣宽度
float _PetalLength; // 花瓣长度
float _Speed; // 花瓣宽度、长度的变化速度
struct a2v {
float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
float3 worldPos : TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 世界空间顶点坐标
return o;
}
void updateParams() { // 更新花瓣宽度、长度信息
float time = _Time.y * _Speed;
_PetalWidth = fmod(time * 0.2, 0.9) + 0.1;
_PetalLength = fmod(time * 1.1111, 5) + 1;
}
float getNearAngle(float3 vec) { // 获取与vec向量方向最近的花瓣的角度
float proj = dot(normalize(vec), float3(0, 0, 1));
float angle = acos(proj);
if (vec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
angle = UNITY_TWO_PI - angle;
}
float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum;
return round(angle / delta) * delta;
}
float3 getStamen(float angle) { // 获取离顶点最近的花蕊位置
float3 vec = float3(sin(angle), 0, cos(angle));
return _Center.xyz + vec * _PetalLength;
}
float2 getProjXY(float3 vec1, float3 vec2) { // 获取vec1在vec2下的的投影坐标
float x = abs(dot(vec1, normalize(vec2)));
float y = sqrt(dot(vec1, vec1) - x * x);
return float2(x, y);
}
fixed4 mixPetalColor(float2 pos) { // 混合花瓣颜色
float rate = smoothstep(_PetalLength, 0, pos.x) * smoothstep(_PetalWidth, 0, pos.y); // 顶点属于花瓣的比例
//float rate = smoothstep(sqrt(_PetalLength * _PetalLength + _PetalWidth * _PetalWidth), 0, length(pos));
return lerp(_BackgroundColor, _PetalColor, rate);
}
fixed4 mixStamenColor(fixed4 color, float2 pos) { // 混合花蕊颜色
float stamenWidth = _PetalWidth * 0.25; // 花蕊宽度
float len = length(pos); // 顶点离花蕊的长度
float rate = smoothstep(stamenWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
return lerp(color, _StamenColor, rate);
}
fixed4 mixHeartColor(fixed4 color, float3 pos) { // 混合花心颜色
float heartWidth = _PetalLength * 0.4; // 花心宽度
float len = length(pos); // 顶点离花心的长度
float rate = smoothstep(heartWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
return lerp(color, _HeartColor, rate);
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
updateParams(); // 更新花瓣宽度、长度信息
float3 vertVec = i.worldPos - _Center.xyz;
float nearAngle = getNearAngle(vertVec); // 获取与顶点最近的花瓣角度
float3 stamen = getStamen(nearAngle); // 获取离顶点最近的花蕊位置
float2 pos = getProjXY(i.worldPos - stamen, stamen - _Center.xyz); // 顶点在花蕊坐标系下的投影坐标
fixed4 color = mixPetalColor(pos); // 混合花瓣颜色
color = mixStamenColor(color, pos); // 混合花蕊颜色
color = mixHeartColor(color, vertVec); // 混合花心颜色
return color;
}
ENDCG
}
}
}
运行效果如下：
3 发射花瓣特效
本节将实现花瓣周期性向四周发射特效，并且在发射过程中向一直旋转。
3.1 花瓣发射原理
1）旋转原理
在第 1 节的基础上，我们需要修改 OS 的旋转角度计算，第 1 个花瓣的旋转角度不再是 0，而是在 0 ~ (2π / _PetalNum) 之间周期性变化，具体计算如下。
float3 vertVec = worldPos - _Center; // 向量OP
float proj = dot(normalize(vertVec), float3(0, 0, 1)); // OP在OZ上的投影
float angle = acos(proj); // 向量OP的角度
if (vertVec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
angle = UNITY_TWO_PI - angle;
}
float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum; // 每个花瓣的角度
float initAngle = fmod(_Time.y * _RotateSpeed, delta); // 第1个花瓣的旋转角度
float k = round((angle - initAngle) / delta); // 旋转的花瓣的个数
float nearAngle = k * delta + initAngle; // 向量OS的角度
2）发射原理
在第 1 节的基础上，我们需要修改 S 点的计算，OS 的长度不再是 _PetalLength，而是随时间逐渐增大的，具体计算如下。
float time = fmod(_Time.y, _CastTime); // 当前发射周期中, 花瓣移动的时间
float dist = _MoveSpeed * time; // 当前发射周期中, 花瓣移动的距离
float len = length(worldPos - _Center); // 当前顶点距离花心的距离
if (len >= dist) { // 顶点在最外一环的花蕊外面
return dist;
}
float petalLength = _PetalLength * 2; // 花瓣长度
float k = round((dist - len) / petalLength); // 顶点与最外一环的花蕊相隔的花瓣环数
float norm = dist - k * petalLength; // OS模长(与顶点最近一环的花蕊到花心的距离)
S 点坐标计算如下。
float3 vec = float3(sin(nearAngle), 0, cos(nearAngle)); // 向量OS的单位方向向量
float3 stamen = _Center + vec * norm; // S点坐标(离P点最近的花蕊坐标)
3.3 花瓣发射实现
FlowerEffect.shader
Shader "MyShader/FlowerEffect" { // 发射花瓣特效
Properties{
_BackgroundColor("BackgroundColor", Color) = (1, 1, 1, 1) // 地面颜色
_PetalColor("PetalColor", Color) = (1, 0, 0, 1) // 花瓣颜色
_StamenColor("StamenColor", Color) = (0, 1, 0, 1) // 花蕊颜色
_HeartColor("_HeartColor", Color) = (1, 1, 0, 1) // 花心颜色
_Center("Center", Vector) = (0, 0, 0, 0) // 花心坐标
_PetalNum("PetalNum", Range(3, 30)) = 15 // 花瓣个数
_PetalWidth("PetalWidth", Range(0.1, 1)) = 0.5 // 花瓣宽度
_PetalLength("PetalLength", Range(1, 20)) = 2 // 花瓣长度
_RotateSpeed("RotateSpeed", Range(0.2, 5)) = 1 // 花瓣旋转速度
_MoveSpeed("MoveSpeed", Range(0.2, 5)) = 1 // 花瓣移动速度
_CastTime("_CastTime", Range(1, 10)) = 5 // 花瓣发射周期
}
SubShader{
Pass {
CGPROGRAM
#include "UnityCG.cginc"
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
fixed4 _BackgroundColor; // 背景颜色
fixed4 _PetalColor; // 花瓣颜色
fixed4 _StamenColor; // 花蕊颜色
fixed4 _HeartColor; // 花心颜色
float4 _Center; // 花蕊中心
int _PetalNum; // 花瓣个数
float _PetalWidth; // 花瓣宽度
float _PetalLength; // 花瓣长度
float _RotateSpeed; // 花瓣旋转速度
float _MoveSpeed; // 花瓣移动速度
float _CastTime; // 花瓣发射周期
struct a2v {
float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
float3 worldPos : TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 世界空间顶点坐标
return o;
}
float getLen(float3 vertVec) { // 获取顶点最近的花蕊到花心的距离
float time = fmod(_Time.y, _CastTime); // 当前发射周期中, 花瓣移动的时间
float dist = _MoveSpeed * time; // 当前发射周期中, 花瓣移动的距离
float len = length(vertVec); // 当前顶点距离花心的距离
if (len >= dist) {
return dist;
}
float petalLength = _PetalLength * 2;
return dist - round((dist - len) / petalLength) * petalLength;
}
float getNearAngle(float3 vec) { // 获取与vec向量方向最近的花瓣的角度
float proj = dot(normalize(vec), float3(0, 0, 1));
float angle = acos(proj);
if (vec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
angle = UNITY_TWO_PI - angle;
}
float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum;
float initAngle = fmod(_Time.y * _RotateSpeed, delta);
float k = round((angle - initAngle) / delta);
return k * delta + initAngle;
}
float3 getStamen(float angle, float len) { // 获取离顶点最近的花蕊位置
float3 vec = float3(sin(angle), 0, cos(angle));
return _Center.xyz + vec * len;
}
float2 getProjXY(float3 vec1, float3 vec2) { // 获取vec1在vec2下的的投影坐标
float x = abs(dot(vec1, normalize(vec2)));
float y = sqrt(dot(vec1, vec1) - x * x);
return float2(x, y);
}
fixed4 mixPetalColor(float2 pos) { // 混合花瓣颜色
float rate = smoothstep(_PetalLength, 0, pos.x) * smoothstep(_PetalWidth, 0, pos.y); // 顶点属于花瓣的比例
//float rate = smoothstep(sqrt(_PetalLength * _PetalLength + _PetalWidth * _PetalWidth), 0, length(pos));
return lerp(_BackgroundColor, _PetalColor, rate);
}
fixed4 mixStamenColor(fixed4 color, float2 pos) { // 混合花蕊颜色
float stamenWidth = _PetalWidth * 0.25; // 花蕊宽度
float len = length(pos); // 顶点离花蕊的长度
float rate = smoothstep(stamenWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
return lerp(color, _StamenColor, rate);
}
fixed4 mixHeartColor(fixed4 color, float3 pos) { // 混合花心颜色
float heartWidth = _PetalLength * 0.4; // 花心宽度
float len = length(pos); // 顶点离花心的长度
float rate = smoothstep(heartWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
return lerp(color, _HeartColor, rate);
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
float3 vertVec = i.worldPos - _Center.xyz;
float len = getLen(vertVec); // 获取顶点距离最近的内环花蕊的距离
float nearAngle = getNearAngle(vertVec); // 获取与顶点最近的花瓣角度
float3 stamen = getStamen(nearAngle, len); // 获取离顶点最近的花蕊位置
float2 pos = getProjXY(i.worldPos - stamen, stamen - _Center.xyz); // 顶点在花蕊坐标系下的投影坐标
fixed4 color = mixPetalColor(pos); // 混合花瓣颜色
color = mixStamenColor(color, pos); // 混合花蕊颜色
color = mixHeartColor(color, vertVec); // 混合花心颜色
return color;
}
ENDCG
}
}
}
运行效果：
声明：本文转自【Unity3D】花瓣特效。
