在Unity中实现水体交互

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本文转自Unity Connect博主 dreamfairy

效果图
https://www.zhihu.com/video/1213046722668220416

制作可交互的水体，大致分为三步

1.标记水体碰撞的位置

2.计算水波的传递 通过波动公式，3D或者2D 波动公式都行

3.水面顶点采样波动传递结果计算结果做顶点Y轴偏移

本文参考的波动相关资料

https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_equation

https://www.amazon.com/Mathematics-Programming-Computer-Graphics-Third/dp/1435458869 流体 章节

相关公式




根据公式可知波的下次一次传递 z(i,j,k+1) 为 当前波值+上一次波值+周围波值

当前波值 *= (4-8*c^2*t^2/d^2/d^2)/(u*t)

上一次波值 *= (ut-2) / (ut + 2)

四周波值 *= (2c^2t^2/d^2) / (ut + 2)

其中各参数含义为 c 波速， u 粘度, d 波的递进距离, t 为递进时间

ok~ 我们重头开始

首先要建立水面

这里直接用Unity Wiki的已有轮子的创建平面，下载wiki上的代码，传到项目中

https://wiki.unity3d.com/index.php/CreatePlane



这里我们直接创建一个宽10米，长10米，间隔100的平面， 间隔越多，水体的颗粒感越小

对应本文开头描述的三大步骤

创建3个纹理

对应水体碰撞标记，传递，渲染

1.         m_waterWaveMarkTexture = new RenderTexture(WaveTextureResolution, WaveTextureResolution, 0, RenderTextureFormat.Default);
2.         m_waterWaveMarkTexture.name = "m_waterWaveMarkTexture";
3.         m_waveTransmitTexture = new RenderTexture(WaveTextureResolution, WaveTextureResolution, 0, RenderTextureFormat.Default);
4.         m_waveTransmitTexture.name = "m_waveTransmitTexture";
5.         m_prevWaveMarkTexture = new RenderTexture(WaveTextureResolution, WaveTextureResolution, 0, RenderTextureFormat.Default);
6.         m_prevWaveMarkTexture.name = "m_prevWaveMarkTexture";

复制代码

标记水体碰撞位置

1. void WaterPlaneCollider()
2.     {
3.         hasHit = false;
4.         if (Input.GetMouseButton(0))
5.         {
6.             Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);
7.             RaycastHit hitInfo = new RaycastHit();
8.             bool ret = Physics.Raycast(ray.origin, ray.direction, out hitInfo);
9.             if (ret)
10.             {
11.                 Vector3 waterPlaneSpacePos = WaterPlane.transform.worldToLocalMatrix * new Vector4(hitInfo.point.x, hitInfo.point.y, hitInfo.point.z, 1);
13.                 float dx = (waterPlaneSpacePos.x / WaterPlaneWidth) + 0.5f;
14.                 float dy = (waterPlaneSpacePos.z / WaterPlaneLength) + 0.5f;
16.                 hitPos.Set(dx, dy);
17.                 m_waveMarkParams.Set(dx, dy, WaveRadius * WaveRadius, WaveHeight);
19.                 hasHit = true;
20.             }
21.         }
22.     }

复制代码

由于我们默认Raycast 获取的是碰撞的世界坐标，我们期望的是直接获取到 [0-1] 范围的数值用来映射到uv空间，直接在 m_waterWaveMarkTexture 进行标记， 因此我们乘以一个 world2Local 矩阵变换到本地， 又因为CreatePlane默认创建的Pivot 位于中心，再除以宽高缩放到1区间时，值域落在[-0.5,0.5]上，因此我们还要做 + 0.5偏移

标记水体碰撞Shader

1.                 float dx = i.uv.x - _WaveMarkParams.x;
2.                 float dy = i.uv.y - _WaveMarkParams.y;
4.                 float disSqr = dx * dx + dy * dy;
6.                 int hasCol = step(0, _WaveMarkParams.z - disSqr);
8.                 float waveValue = DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv));
10.                 if (hasCol == 1) {
11.                     waveValue = _WaveMarkParams.w;
12.                 }

复制代码

根据传入的_WaveMarkParams.xy 跟当前uv 对比，在笔刷范围内的像素标记位默认波高度

波的传递Shader

1.                 static const float2 WAVE_DIR[4] = { float2(1, 0), float2(0, 1), float2(-1, 0), float2(0, -1) };
3.                 float dx = _WaveTransmitParams.w;
5.                 float avgWaveHeight = 0;
6.                 for (int s = 0; s < 4; s++)
7.                 {
8.                     avgWaveHeight += DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv + WAVE_DIR[s] * dx));
9.                 }
11.                 //(2 * c^2 * t^2 / d ^2) / (u * t + 2)*(z(x + dx, y, t) + z(x - dx, y, t) + z(x, y + dy, t) + z(x, y - dy, t);
12.                 float agWave = _WaveTransmitParams.z * avgWaveHeight;
13.                
14.                 // (4 - 8 * c^2 * t^2 / d^2) / (u * t + 2)
15.                 float curWave = _WaveTransmitParams.x *  DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv));
16.                 // (u * t - 2) / (u * t + 2) * z(x,y,z, t - dt) 上一次波浪值 t - dt
17.                 float prevWave = _WaveTransmitParams.y * DecodeHeight(tex2D(_PrevWaveMarkTex, i.uv));
19.                 //波衰减
20.                 float waveValue = (curWave + prevWave + agWave) * _WaveAtten;

复制代码

最后就是水体的呈现，因为需要做顶点纹理采样，因此需要至少ES3.0 硬体

1. v2f vert (appdata v)
2.             {
3.                 v2f o;
5.                 float4 localPos = v.vertex;
6.                 float4 waveTransmit = tex2Dlod(_WaveResult, float4(v.uv, 0, 0));
7.                 float waveHeight = DecodeFloatRGBA(waveTransmit);
9.                 localPos.y += waveHeight * _WaveScale;
11.                 float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, localPos);
12.                 float3 worldSpaceNormal = mul(unity_ObjectToWorld, v.normal);
13.                 float3 worldSpaceViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(worldPos);
15.                 o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_VP, float4(worldPos, 1));
16.                 o.uv = v.uv;
17.                 o.worldSpaceReflect = reflect(-worldSpaceViewDir, worldSpaceNormal);
18.                 return o;
19.             }

复制代码

github地址

https://github.com/dreamfairy/interactivity-waterplane
原文链接：
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