【Unity Shaders】ShadowGun系列之一——飞机坠毁的浓烟效果

写在前面

最近一直在思考下面的学习该怎么进行，当然自己有在一边做项目一边学OpenGL，偶尔翻翻论文之类的。但是，写shader是一个需要实战和动手经验的过程，而模仿是前期学习的必经之路。很多人都会问，怎么学shader，看什么书。当然我经验也不够，目前的路线是：掌握一门着色语言+读几本经典书籍+学习优秀的shader实例+动手实践+动手实践+动手实践。每一个都不容易，所以学shader是一个漫长而艰辛的过程。

当当当~所以，在继Surface Shader系列之后，我打算学习一下现在已有的各种案例shader。这些shader可能来自于某些网站，可能来自于开源项目，也可能来自于我自己看书的总结。而ShadowGun就是其中一个开源项目。

ShadowGun

ShadowGun其实最开始是2011年的一个移动平台的第三人称射击游戏。当然，也是用Unity开发的。当年，由于在画面上的出色表现赢得了很多眼球~更难能可贵的是，在2012的时候，它的开发者放出了示例场景，来让更多的开发者学习如何优化移动平台上的shader。下载地址请戳官方博客。看不懂英文的可以看这篇（写得很不错）。项目里共包含了将近20个优化后的shader。关于使用许可的问题，项目里的shader都是可以免费使用的，而贴图和模型是不可用于商业用途的呦~

虽然ShadowGun的出场时间有点久远了，但很多技术还是可以借鉴滴~而且它现在仍然在更新，并且价格为高昂的￥30，可见其对自信程度。

ShadowGun里包含了几个比较重要的shader，例如非常有名的旗帜飘动的shader，动态效果的天空盒子的shader，环境高光纹理映射等等。而这篇的飞机坠毁的浓烟效果shader应该是其中非常好理解的一篇。我们也从这里开始学习。

浓烟效果

飞机坠毁的浓烟效果可以从下图看出来：

传统的实现这种效果通常是使用粒子系统，而众所周知，粒子系统对性能的消耗太大，更何况是资源紧缺的移动平台。因此ShadowGun使用了网格+纹理+移动UV的方法来模拟这个效果。同时，还巧妙地使用了顶点颜色和透明度，来模拟火焰颜色以及平滑网格的边缘。结果从画面上看来表现还是可以接受的~

具体分析见下。

Shader源码

Shader "MADFINGER/Environment/Scroll 2 Layers Sine AlphaBlended" {
Properties {
	_MainTex ("Base layer (RGB)", 2D) = "white" {}
	_DetailTex ("2nd layer (RGB)", 2D) = "white" {}
	_ScrollX ("Base layer Scroll speed X", Float) = 1.0
	_ScrollY ("Base layer Scroll speed Y", Float) = 0.0
	_Scroll2X ("2nd layer Scroll speed X", Float) = 1.0
	_Scroll2Y ("2nd layer Scroll speed Y", Float) = 0.0
	_SineAmplX ("Base layer sine amplitude X",Float) = 0.5
	_SineAmplY ("Base layer sine amplitude Y",Float) = 0.5
	_SineFreqX ("Base layer sine freq X",Float) = 10
	_SineFreqY ("Base layer sine freq Y",Float) = 10
	_SineAmplX2 ("2nd layer sine amplitude X",Float) = 0.5
	_SineAmplY2 ("2nd layer sine amplitude Y",Float) = 0.5
	_SineFreqX2 ("2nd layer sine freq X",Float) = 10
	_SineFreqY2 ("2nd layer sine freq Y",Float) = 10
	_Color("Color", Color) = (1,1,1,1)

	_MMultiplier ("Layer Multiplier", Float) = 2.0
}

SubShader {
	Tags { "Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent" }

	Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
	Cull Off Lighting Off ZWrite Off Fog { Color (0,0,0,0) }

	LOD 100

	CGINCLUDE
	#pragma multi_compile LIGHTMAP_OFF LIGHTMAP_ON
	#pragma exclude_renderers molehill
	#include "UnityCG.cginc"
	sampler2D _MainTex;
	sampler2D _DetailTex;

	float4 _MainTex_ST;
	float4 _DetailTex_ST;

	float _ScrollX;
	float _ScrollY;
	float _Scroll2X;
	float _Scroll2Y;
	float _MMultiplier;

	float _SineAmplX;
	float _SineAmplY;
	float _SineFreqX;
	float _SineFreqY;

	float _SineAmplX2;
	float _SineAmplY2;
	float _SineFreqX2;
	float _SineFreqY2;
	float4 _Color;

	struct v2f {
		float4 pos : SV_POSITION;
		float4 uv : TEXCOORD0;
		fixed4 color : TEXCOORD1;
	};

	v2f vert (appdata_full v)
	{
		v2f o;
		o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
		o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord.xy,_MainTex) + frac(float2(_ScrollX, _ScrollY) * _Time);
		o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord.xy,_DetailTex) + frac(float2(_Scroll2X, _Scroll2Y) * _Time);

		o.uv.x += sin(_Time * _SineFreqX) * _SineAmplX;
		o.uv.y += sin(_Time * _SineFreqY) * _SineAmplY;

		o.uv.z += sin(_Time * _SineFreqX2) * _SineAmplX2;
		o.uv.w += sin(_Time * _SineFreqY2) * _SineAmplY2;

		o.color = _MMultiplier * _Color * v.color;
		return o;
	}
	ENDCG

	Pass {
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest
		fixed4 frag (v2f i) : COLOR
		{
			fixed4 o;
			fixed4 tex = tex2D (_MainTex, i.uv.xy);
			fixed4 tex2 = tex2D (_DetailTex, i.uv.zw);

			o = tex * tex2 * i.color;

			return o;
		}
		ENDCG
	}
}
}

其实，ShadowGun里的Shader都不长，但有些shader要完全理解还是需要一些时间的。当然这篇还是很简单的~

SubShader Tags

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

这个shader使用的tags算是Unity里半透明物体渲染的标配。 "Queue"="Transparent"指明了该shader的渲染队列，"IgnoreProjector"="True"指明该shader不会受Projector的影响（半透明物体一般设为true），"RenderType"="Transparent"指明了它的渲染类别，文档上说是可以被用于shader replacement，但我现在还不是很理解，有人知道请留言告诉我~谢谢。

关于SubShader Tags的说明，请见官网。

渲染设置

	Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
	Cull Off
	Lighting Off
	ZWrite Off
	Fog { Color (0,0,0,0) }

这篇shader的特点就是充分利用了alpha混合的技术，因此第一行就是指明了它的混合系数。Alpha混合是本篇的重点。在场景中所有的shader被渲染完毕后，每个shader产生的像素写入了帧缓存中，因为它们的渲染是按照一定顺序的，因此如何控制这些前后像素的混合顺序就是靠Blend指令控制的。它会指定源像素和目标像素的混合系数，按这个系数对两种像素进行处理后作为输出像素。具体可见这篇文章以及官网。而Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha就是用于alpha混合的系数，也就是说靠alpha通道来控制像素颜色。

Cull Off 指明该shader不会剔除面，即背面也会被渲染。

ZWrite Off 指明不写入深度缓存，而是根据渲染顺序来决定显示的。其实"Queue"="Transparent"会自动生成ZWrite Off 语句的。

其他命令可以参见官网。

算法分析

这篇shader的关键在于vert函数：

	v2f vert (appdata_full v)
	{
		v2f o;
		o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
		o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord.xy,_MainTex) + frac(float2(_ScrollX, _ScrollY) * _Time);
		o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord.xy,_DetailTex) + frac(float2(_Scroll2X, _Scroll2Y) * _Time);

		o.uv.x += sin(_Time * _SineFreqX) * _SineAmplX;
		o.uv.y += sin(_Time * _SineFreqY) * _SineAmplY;

		o.uv.z += sin(_Time * _SineFreqX2) * _SineAmplX2;
		o.uv.w += sin(_Time * _SineFreqY2) * _SineAmplY2;

		o.color = _MMultiplier * _Color * v.color;
		return o;
	}

里面主要用到了下面的函数公式：

u = sin(freq * x) * ampl + scroll * x;

上述公式了表示了U方向上的输出。这个函数其实就是正弦波函数+一次函数，由此得到特定方向上的波动效果。这种函数的函数图像（其中scroll = -2，ampl = 0.005，freq = 250）类似下面这样：

可以看出来就是一个倾斜波动的样子，以此来模拟火焰缓慢波动并上移的样子。

Shader利用了两种纹理来模拟立体效果，每张纹理对应了6个参数，分别代表了U方向和V方向上的函数参数。

除了函数里利用，这篇shader还有一个非常巧妙的地方，就是利用了顶点颜色。从一开始的动态图可以看出来其中有红色的火焰，但其实这不是纹理里的颜色，而是顶点颜色。如果我们把纹理都去掉，可以发现它真实的模型其实是长这样的：

也就是说它本身的顶点颜色就模拟了火焰颜色。他们很巧妙地利用了顶点颜色本身及其alpha通道的值，来模拟从火焰到浓烟的过渡效果。下面的代码虽然只有一行，但起到了很关键的作用：

		o.color = _MMultiplier * _Color * v.color;

Shader允许我们在面板中（通过_MMultiplier和_Color）在顶点颜色的基础上调整整体颜色，并将结果存储到v2f中。要注意的是，这里的顶点颜色，即v.color，包含了重要的透明度信息，浓烟的透明过渡效果其实都是它的功劳。

写在最后

站在前人的肩膀上总是能看得更远。这篇Shader虽小，但体现了很多很常见的手法：alpha混合，UV动画，利用模型顶点信息来减少纹理输入等等。感谢前人们的贡献和分享，希望大家可以有所收获~下次见啦！