Billboards 技术在Unity 中的几种使用方法

关于billboard技术,原理就是计算出来一个始终朝向摄像机的面片,可以在CPU里计算,也可以在GPU里实现。应用的场合很多:

  • 游戏角色的头顶文字,血条
  • 场景的树,草
  • 特效粒子片
  • 3d场景里的2d角色

world space计算

思路:shader中传入面片的中心点的世界坐标,以及摄像机的right和up在world space的方向,中心点直接沿着right和up方向计算四个顶点的世界坐标,定点数据中包含了每个顶点的偏移信息。然后乘以ViewProjection矩阵,作为输出。
这里有个trick的地方,就是从object space 到world space是没有旋转的,只有偏移,所以摄像机在世界空间的right就是模型空间的right。MV的逆矩阵相当于View到Object的变换,转置是为了去列向量好取。

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float2 vertexOffset : TEXCOORD1;
            };

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

            sampler2D _MainTex;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;

                //这里相当于取列向量

                float3 right = UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz;
                float3 up = UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz;

                v.vertex.xyz += v.vertexOffset.x * right + v.vertexOffset.y * up;
                o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_VP, float4(v.vertex.xyz, 1.0));

                o.uv = v.uv;

                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {

                // sample the texture
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return col;
            }
            ENDCG

unity c#中生成mesh的代码

        Vector3[] vertices = new Vector3[4]
        {
            worldPos,
            worldPos,
            worldPos,
            worldPos
        };

        int[] indices = new int[6]
        {
            0, 2, 1, 0, 3, 2
        };

        Vector2[] uvs = new Vector2[4]
        {
            new Vector2(0, 0),
            new Vector2(0, 1),
            new Vector2(1, 1),
            new Vector2(1, 0),
        };

        Vector2[] uv2s = new Vector2[4]
        {
            new Vector2(-0.5f, -0.5f),
            new Vector2(0.5f, -0.5f),
            new Vector2(0.5f, 0.5f),
            new Vector2(-0.5f, 0.5f),
        };

        meshFilter.mesh.vertices = vertices;
        meshFilter.mesh.triangles = indices;
        meshFilter.mesh.uv = uvs;
        meshFilter.mesh.uv2 = uv2s;

clip space计算

思路:还是传入中心点的世界坐标,以及4个顶点的偏移信息。把中心点转到
clip space,然后按照偏移信息缩放。这个适用的场合是面片不随距离摄像机的远近而缩放。

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float2 vertexOffset : TEXCOORD1;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 color : TEXCOORD1;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;

                o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
                o.vertex.xyz /= o.vertex.w;

                o.vertex.xy += v.vertexOffset.xy * float2(0.2, 0.05);
                o.vertex.w = 1;

                o.uv = v.uv;

                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {

                // sample the texture
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return col;
            }
            ENDCG

view space计算

上面两种方式都是通过传入中心点坐标到shader进行计算,但是有时候并不能获得面片的中心点坐标,比如Unity中的SpriteRenderer,这时候的思路是:把中心点即(0,0,0,1)(Object space)转到View Space,然后顶点再做偏移。

                o.pos = mul(UNITY_MATRIX_P, 
                  mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0))
                  + float4(i.vertex.x, i.vertex.y, 0.0, 0.0));

CPU计算

思路:面片的位置发生变化,或者摄像机发生变化的时候,重新计算一下面片的旋转,让它始终朝向摄像机

    private void CalcBillboard()
    {
        if(instance != null)
        {
            instance.transform.rotation = Camera.main.transform.rotation;
        }
    }
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