用 Shader 实现旗帜飘扬动画效果
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2024-04-26 12:07
我觉得对于刚入门 3D 编程的朋友来说，如果能够完成代码创建模型数据->创建材质->编写Shader动画这一系列，想必会有满满的成就感。
今天就用 Cocos Creator 的 utils.MeshUtils.createMesh 接口，带大家感受一下这个流程。
这个流程不仅可以用于新手学习，也是一些高端特效的必备技巧。
准备：基础
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你需要一个Cocos Creator，我这里用的是3.8.2版本
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了解下创建网格的接口：查看官方文档
utils.MeshUtils.createMesh
这个接口是用来创建网格的，你可以通过这个接口创建一个网格，绑定到节点的 MeshRender的 mesh 属性上，就可以看到你的模型了。
起点：显示一个三角形
三角形是 3D 世界的基本单位，我们在屏幕上看到的三维模型，也是通过三角形构成的。三角形数量越多，能够表示的模型细节就越多。
我们先从一个三角形开始，然后再慢慢的扩展到更多的三角形，最后就是一个完整的模型了。
private createTriangle() {
this._meshCreator.reset();
let p0 = vec3Pool.alloc().set(0, 0, 0);
let p1 = vec3Pool.alloc().set(1, 0, 0);
let p3 = vec3Pool.alloc().set(0, -1, 0);
this._meshCreator.verticles.push(p0 , p1, p3);
let uv0 = vec2Pool.alloc().set(0, 0);
let uv1 = vec2Pool.alloc().set(1, 0);
let uv2 = vec2Pool.alloc().set(0, 1);
this._meshCreator.uvs.push(uv0, uv1, uv2);
this._meshCreator.indices.push(0, 2, 1);
this._meshRenderer.mesh = this._meshCreator.buildMesh();
}
代码看起来是不是很简单？
我们只需要创建三个顶点，然后创建三个uv，最后创建一个三角形，然后就可以看到一个三角形了。如果你不用显示贴图的话，甚至于可以不用计算uv，乱写一个就行了。其实创建网格还有很多参数，这里我们都可以先忽略它们！
进阶：显示一个正方形
正方形是两个三角形组成的，我们只需要创建两个三角形，然后组合在一起，就可以显示一个正方形了。
private createQuad() {
this._meshCreator.reset();
let p0 = vec3Pool.alloc().set(0, 0, 0);
let p1 = vec3Pool.alloc().set(1, 0, 0);
let p2 = vec3Pool.alloc().set(1, -1, 0);
let p3 = vec3Pool.alloc().set(0, -1, 0);
this._meshCreator.verticles.push(p0, p1, p2, p3);
let uv0 = vec2Pool.alloc().set(0, 0);
let uv1 = vec2Pool.alloc().set(1, 0);
let uv2 = vec2Pool.alloc().set(1, 1);
let uv3 = vec2Pool.alloc().set(0, 1);
this._meshCreator.uvs.push(uv0, uv1, uv2, uv3);
this._meshCreator.indices.push(0, 2, 1, 0, 3, 2);
this._meshRenderer.mesh = this._meshCreator.buildMesh();
}
与三角形类似，我们只需要创建四个点，然后创建四个uv，最后创建两个三角形，然后就可以看到一个正方形了。
聪明的你可能已经发现了，正方形虽然是两个三角形组成的，但是我们只需要创建一个正方形的四个点，然后通过索引来组合两个三角形，这样就可以减少重复的点了。
看代码还是太累，这里用图片来表示一下顶点：
终极：显示一个飘动的旗帜
旗子其实就是一个长方形，然后通过Shader来让它动起来，唯一不同的是，我们需要给它多个顶点，然后通过Shader控制各个顶点，让它动起来，从而看起来像是飘动的旗帜。
private buildMesh() {
this._dirty = DirtyType.None;
this._meshCreator.reset();
const width = this._size.x;
const height = this._size.y;
const verticePreUnit = this._verticePreUnit;
const widthSegments = Math.floor(width * verticePreUnit);
const heightSegments = Math.floor(height * verticePreUnit);
for(let j = 0; j <= heightSegments; j++) {
const y = - j / heightSegments * height;
for(let i = 0; i <= widthSegments; i++) {
const x = i / widthSegments * width;
const v = vec3Pool.alloc();
v.set(x, y, 0);
this._meshCreator.verticles.push(v);
const uv = vec2Pool.alloc();
uv.set(i / widthSegments, j / heightSegments);
this._meshCreator.uvs.push(uv);
}
}
for(let j = 0; j < heightSegments; j++) {
for(let i = 0; i < widthSegments; i++) {
const a = i + (widthSegments + 1) * j;
const b = i + (widthSegments + 1) * (j + 1);
const c = (i + 1) + (widthSegments + 1) * (j + 1);
const d = (i + 1) + (widthSegments + 1) * j;
this._meshCreator.indices.push(a, b, c);
this._meshCreator.indices.push(a, c, d);
}
}
this._meshRenderer.mesh = this._meshCreator.buildMesh();
}
网格的创建没什么再说的了，但是这里要注意需要精确计算uv坐标，保证纹理显示正确；
而且在shader中需用通过uv坐标来控制顶点的位置，从而让旗帜动起来，简单的来说就是通过uv的横坐标控制顶点偏移的强度，毕竟靠近旗杆的地方是不会动的，而靠近旗尾的地方是会动的。
我们通过shader显示一下旗帜UV水平方向上的变化，可以看到离旗杆越远，旗帜就会动的越强烈：
vec4 SurfacesFragmentModifyBaseColorAndTransparency()
{
return vec4(ALBEDO_UV.x, 0.0, 0.0, 1.0);
}
至此，给网格添加材质普通的材质球后，我们就有了一个静态的旗帜，接下来就是通过Shader让它动起来了。
进化：让旗帜动起来
让旗子动起来很简单，只需要在Cocos Surface Shader的函数SurfacesVertexModifyWorldPos中修改顶点的位置即可，最简单的方式就是给一个sin，让他随时间的变化平移顶点的位置，这样就可以让旗帜动起来了。
vec3 SurfacesVertexModifyWorldPos(in SurfacesStandardVertexIntermediate In)
{
In.worldPos += a_normal * sin(cc_time.w + In.worldPos.x);
return In.worldPos;
}
效果如下：
好吧，一言难尽，确实是动起来了，但是也飞起来了，旗杆完全没达到约束他的效果，我们用上文提到的uv来控制顶点的偏移，再试试效果：
vec3 SurfacesVertexModifyWorldPos(in SurfacesStandardVertexIntermediate In)
{
In.worldPos += a_normal * sin(cc_time.w + In.worldPos.x) * a_texCoord.x;
return In.worldPos;
}
效果如下：
这次的效果明显好多了，但是还是有点问题，旗帜的波动不够自然，我们可以通过增加一张噪声贴图来让它更自然一些，这里我用了一个简单的噪声贴图，你可以用更复杂的噪声贴图来让它更自然一些，当然这里需要再顶点着色器中做纹理采样，可能有些低端手机或者平台不支持，所以需要注意一下。
当然，你也可以通过更复杂的算法来模拟噪声：
vec3 SurfacesVertexModifyWorldPos(in SurfacesStandardVertexIntermediate In)
{
float noise = texture2D(a_noiseMap, a_texCoord).r;
In.worldPos += a_normal * sin(cc_time.w + In.worldPos.x) * a_texCoord.x * noise;
return In.worldPos;
}
效果如下：
有了噪声贴图，旗帜的波动就更自然了， 但是有些小问题，我再次修改下代码，形成最终的效果：
vec3 SurfacesVertexModifyWorldPos(in SurfacesStandardVertexIntermediate In)
{
float t = sin(cc_time.w * speed + In.worldPos.x);
vec3 oldPos = In.worldPos;
In.worldPos += a_normal * t * height * a_texCoord.x;
vec2 uv = a_texCoord + vec2(t * 0.3, 0.0);
vec4 noise = texture(noiseMap, uv);
In.worldPos -= noise.r * height * a_texCoord.x;
return In.worldPos;
}
最后，把图片换成 Cocos 的标准模板 LOGO。
得到的效果如下：
总结
看到没有，从头到尾，我们只关注两件事：
1. 创建网格
网格我已经通过工具类封装好了，你只需要调用接口，传入参数，就可以创建一个网格了。
2. 编写Shader
而Shader我们从头到尾值关注了一个函数SurfacesVertexModifyWorldPos，这个函数是用来修改顶点的位置的，我们只需要在这个函数中修改顶点的位置，就可以让模型动起来了。
所以，3D 绘制其实是很简单的，只要你掌握了这两个点，你就可以做出很多很多的东西了，这里只是一个简单的例子，你可以通过这个例子，去尝试更多的东西，比如更复杂的模型，更复杂的Shader，更复杂的动画，这些都是你可以尝试的，希朥这个教程能够帮助到你，也希望你能够享受这个过程。
不知道你有没有发现，从头绘制一个3D模型，并且给予它生命一般的动画，这个过程是多么的有趣，这个过程就像是一个创造者，你可以创造出你想要的一切，这种感觉是多么的美妙，希望你也能够感受到这种美妙。
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