Unity粒子遇上着色器，引爆视觉特效

由Real-Time VFX举办的首届“伟大的变形者”视觉特效大赛已落下帷幕，最终冠军花落Michał Piątek使用Unity中的粒子特效结合着色器实现的作品。今天这篇文章将由Unity技术经理鲍健运，为大家剖析该特效作品的实现过程。

下面先来看看这个特效作品的视频：

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=j05426lnekl&width=500&height=375&auto=0
根据Michał的思路，他想实现的是类似于“炼金术”一般的，强烈化学反应伴随着奇特物理变形的效果。须臾间圆环膨胀扭转，似银瓶乍破水浆迸。一阵水银泻地之后，复凝结成一混沌，电光火石间化作静置的茶壶。是不是非常的赏心悦目？现在就为大家解析如何实现这些视觉特效。

基本原理

该特效实质上是基于粒子系统驱动的着色器控制画面的表现，场景中的粒子用于控制器物表面的凸起位置、强度和颜色。Michał还同步处理了参考发射器（Emitter）生命周期的溶解纹理（Dissolve Texture），因此可以在Unity粒子系统呈现的动画过程中看到淡出效果。

为了进一步优化效果，场景还引入了具有质量和阻力系数的空气阻力模块，以及随机化的吸引器模块，它会针对每个粒子产生吸引力的效果，从而表现出凝结成混沌。

伪3D气泡

Michał撰写了一些自定义的网格着色器，自定义粒子气泡着色器以及自定义shuriken模块。伪3D气泡就是其中比较有趣的一个实现。

实现这样的效果需要自定义Unity表面着色器（Surface Shader），该着色器包含以下参数：

• 法线贴图，如下所示：

• 法线贴图的强度倍数，主要用于控制法线的强度

• 噪音纹理用来对法线图片与剪切纹理进行变形

• 剪切纹理

这里的关键点是，使用法线缓冲（Normal Buffer）创建假阴影的环境光遮蔽（Ambient Occlusion），它有助于展现“3D”外观。基于这样的处理，就能表现出如下图这样非常“真实”的伪3D气泡效果：

Melt Shader

回顾整个特效的过程，不难发现一切都是从熔化的圆环开始的。Michał写了一个叫Melt Shader的着色器，作用于圆环和茶壶之上。只要拥有适当的平铺UV（tiled UV），并应用一些噪声纹理，它就可以作用于任意网格。基本上这个着色器的参数都是由粒子系统驱动的，以下就是在材质检视窗口（Material Inspector）的所有参数设置：

下面的简短视频显示了这些着色器参数变化对于特效表现的影响。如调节中止阈值（Cutoff Threshold），可以改变圆环表面粗细及有无的变化显示；改变中止遮罩速度（Cutoff mask speed），就直接改变了它们的变化速度；修改塌陷强度（Collapse Strength），会影响圆环表面的塌陷凹凸状变化的效果；增加重力强度（Gravity Strength），会产生圆环在重力作用下向平面的塌陷效果。这些综合起来可以理解为，这个着色器“挤压”网格，并为它施加一个伪重力，即着色器越是给网格施压，物体就越是靠近地面。假定地面是平坦的，就可以通过使用地形高度图（Terrain Heightmap）作为一种地面等级来改善着色器的效果。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=y0542xwoqmz&width=500&height=375&auto=0

视频中展现的着色器的另一部分，即调整噪音缩放（Noise Tiling），用于改变特效的随机化程度。其实就是基于纹理的溶解和在顶点着色器中采样的噪音纹理。

Melting Object

下面来分析粒子系统驱动的数据，Michał使用粒子的尺寸（Size）和颜色（Color）来控制一些着色器参数。为了更好的进行参数调整，MeltingObject脚本除了引用了“熔化”对象的渲染器（Melting Object Renderer）和粒子渲染器（Particles Renderer），还添加了网格剔除值（Cutoff Value），塌陷强度（Collapse Strength，即重力）和发光强度倍数值（Emission Strength），以曲线的形式编辑。如下图所示：

最后提交大赛评审的版本，事实已经禁用了粒子渲染，因为这些粒子只是为了将数据传递给着色器，不会执行任何其它操作。

下面的操作视频打开了粒子渲染，帮助大家理解特定参数的调整所引起的变化：

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=x0542gbj5ce&width=500&height=375&auto=0

那这些粒子到底是如何驱动着色器的呢？这点在Unity中实现并不复杂。

1、ParticleSystem有这样一个API：

public int GetParticles(Particle[] particles);

其作用是将粒子数据写入一个粒子数组作为缓冲，返回值就是该粒子的数量。

2、粒子的每个参数都可以被读取，比如尺寸、速度、位置、颜色、透明值等。在运行时还可以使用GetCurrentColor、GetCurrentSize、GetCurrentSize3D，获得当前状态下的颜色、二维尺寸和三维尺寸

3、取得这些数值后，便可以通过“圆环”的渲染器，去修改应用该渲染器的材质的着色器参数。而这里只需做几件事：用尺寸（Size）设定点亮面积的大小；用透明值（Alpha）设置网格变形值；在粒子发射器的生命周期内，基于网格剔除值、塌陷强度和发光强度倍数的曲线进行变化。

这样，就能产生粒子系统驱动着色器的效果了。

Post Processing Stack

为了表现绚丽的画面效果，Michał还在项目中添加了Unity官方的Post Processing Stack进行摄像机后期处理。

上图就是使用了图像晕光（Bloom）效果，结合HDR产生流光溢彩的视觉体验。此外，项目还运用了屏幕空间环境光遮蔽（Screen Space Ambient Occlusion）和运动模糊（Motion Blur）的后处理特效，使得特效的展现更为流畅平滑。

最后

如果大家对于这个特效作品还是意犹未尽，Michał还生成了一个exe的可执行项目供有兴趣的朋友参考，请点击【阅读原文】下载该执行文件。我们还会为大家分享更多精彩有趣的内容在Unity官方中文社区（unitychina.cn），请保持关注。

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