【Unity3D】花瓣特效

1 花瓣绘制原理

如下图是实现的花瓣特效效果，为方便描述，我们将每个红色的扁状长条称为花瓣，每个花瓣中心的绿点称为花蕊，花朵的正中心称为花心。

我们在 xOz 平面上绘制花朵，假设花心为 O 点，其世界坐标为 _Center，花瓣个数为 _PetalNum，花瓣半长度和半宽度分别为 _PetalLength、_PetalWidth，背景、花心、花蕊、花瓣的颜色分别为 _BackgoundColor、_HeartColor、_StamenColor、_PetalColor；对于平面上任意一点 P，其世界坐标为 worldPos，其最终着色的颜色为 color，下面将逐步求解 color 的计算过程。

本文完整资源见→Unity3D花瓣特效。

1.1 花瓣坐标轴上投影坐标计算过程

为方便顶点着色，我们需要知道与顶点 P 最近的花蕊坐标，将该花蕊记为 S 点，其坐标记为 stamen，然后再计算 SP 在该花瓣坐标轴上的投影坐标（即图中 SP 在 SM 和 SN 方向上的投影）。

1）计算 OS 的旋转角度

由于 Unity 世界坐标系是左手坐标系，旋转正方向的定义遵循左手法则（详见→空间和变换），即 xOz 平面上旋转正方向为顺时针方向。为简化计算，我们定义旋转零度方向为 z 轴正方向。因此，向量 OS 的旋转角度计算如下。

float3 vertVec = worldPos - _Center; // 向量OP
float proj = dot(normalize(vertVec), float3(0, 0, 1)); // OP在OZ上的投影
float angle = acos(proj); // 向量OP的角度
if (vertVec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
	angle = UNITY_TWO_PI - angle;
}
float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum; // 每个花瓣的角度
float nearAngle = round(angle / delta) * delta; // 向量OS的角度

2）计算 S 点坐标

float3 vec = float3(sin(nearAngle), 0, cos(nearAngle)); // 向量OS的单位方向向量
float3 stamen = _Cenetr + vec * _PetalLength; // S点坐标(离P点最近的花蕊坐标)

3）计算 SP 在花瓣坐标轴上的投影坐标

float vec1 = worldPos - stamen; // 向量SP
float vec2 = normalize(stamen - _Center); // 向量SM的单位方向向量
float x = abs(dot(vec1, vec2)); // SP在SM轴上的投影
float y = sqrt(dot(vec1, vec1) - x * x); // SP在SN轴上的投影
float2 proj = float2(x, y); // SP在花瓣坐标轴上的投影坐标

由于花瓣具有对称性，为方便计算，我们只取投影的绝对值。

1.2 顶点着色过程

为了使花瓣、花蕊、花心边缘着色平滑，我们使用了 smoothstep 函数（详见→Shader常量、变量、结构体、函数）。

1）花瓣着色

float rate1 = smoothstep(_PetalLength, 0, proj.x) * smoothstep(_PetalWidth, 0, proj.y); // 顶点属于花瓣的比例
fixed4 color1 = lerp(_BackgroundColor, _PetalColor, rate1); // 混合花瓣颜色

2）花蕊着色

float stamenWidth = _PetalWidth * 0.25; // 花蕊宽度(花蕊占花瓣宽度的比例可以调整)
float len2 = length(worldPos - stamen); // 向量SP的模长(顶点离花蕊的长度)
float rate2 = smoothstep(stamenWidth, 0, len2); // 顶点属于花蕊的比例
fixed4 color2 = lerp(color1, _StamenColor, rate2); // 混合花蕊颜色

3）花心着色

float heartWidth = _PetalLength * 0.4; // 花心宽度(花心占花瓣长度的比例可以调整)
float len3 = length(worldPos - _Center); // 向量OP的模长(顶点离花心的长度)
float rate3 = smoothstep(heartWidth, 0, len3); // 顶点属于花蕊的比例
fixed4 color = lerp(color2, _HeartColor, rate3); // 混合花心颜色

2 绽放花瓣特效

2.1 花瓣绽放原理

调整花瓣的长度和宽度，使其随时间同步周期性变化，从而实现花瓣绽放效果，如下。

float time = _Time.y * _Speed;
_PetalWidth = fmod(time * 0.2, 0.9) + 0.1;
_PetalLength = fmod(time * 1.1111, 5) + 1;

其中 _Speed 为花瓣长度、宽度的变化速度，外部可以调整该参数。

2.2 花瓣绽放实现

FlowerEffect.shader

Shader "MyShader/FlowerEffect"  { // 绽放花瓣特效
    Properties{
        _BackgroundColor("BackgroundColor", Color) = (1, 1, 1, 1) // 地面颜色
        _PetalColor("PetalColor", Color) = (1, 0, 0, 1) // 花瓣颜色
        _StamenColor("StamenColor", Color) = (0, 1, 0, 1) // 花蕊颜色
        _HeartColor("_HeartColor", Color) = (1, 1, 0, 1) // 花心颜色
        _Center("Center", Vector) = (0, 0, 0, 0) // 花心坐标
        _PetalNum("PetalNum", Range(3, 30)) = 15 // 花瓣个数
        _PetalWidth("PetalWidth", Range(0.1, 1)) = 0.5 // 花瓣宽度
        _PetalLength("PetalLength", Range(1, 20)) = 2 // 花瓣长度
        _Speed("Speed", Range(0.2, 5)) = 1 // 花瓣宽度、长度的变化速度
    }

    SubShader{
        Pass {
            CGPROGRAM

            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            fixed4 _BackgroundColor; // 背景颜色
            fixed4 _PetalColor; // 花瓣颜色
            fixed4 _StamenColor; // 花蕊颜色
            fixed4 _HeartColor; // 花心颜色
            float4 _Center; // 花蕊中心
            int _PetalNum; // 花瓣个数
            float _PetalWidth; // 花瓣宽度
            float _PetalLength; // 花瓣长度
            float _Speed; // 花瓣宽度、长度的变化速度

            struct a2v {
                float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
            };

            struct v2f {
                float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
                float3 worldPos : TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
            };

            v2f vert(a2v v) {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 世界空间顶点坐标
                return o;
            }

            void updateParams() { // 更新花瓣宽度、长度信息
                float time = _Time.y * _Speed;
                _PetalWidth = fmod(time * 0.2, 0.9) + 0.1;
                _PetalLength = fmod(time * 1.1111, 5) + 1;
            }

            float getNearAngle(float3 vec) { // 获取与vec向量方向最近的花瓣的角度
                float proj = dot(normalize(vec), float3(0, 0, 1));
                float angle = acos(proj);
                if (vec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
                    angle = UNITY_TWO_PI - angle;
                }
                float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum;
                return round(angle / delta) * delta;
            }

            float3 getStamen(float angle) { // 获取离顶点最近的花蕊位置
                float3 vec = float3(sin(angle), 0, cos(angle));
                return _Center.xyz + vec * _PetalLength;
            }

            float2 getProjXY(float3 vec1, float3 vec2) { // 获取vec1在vec2下的的投影坐标
                float x = abs(dot(vec1, normalize(vec2)));
                float y = sqrt(dot(vec1, vec1) - x * x);
                return float2(x, y);
            }

            fixed4 mixPetalColor(float2 pos) { // 混合花瓣颜色
                float rate = smoothstep(_PetalLength, 0, pos.x) * smoothstep(_PetalWidth, 0, pos.y); // 顶点属于花瓣的比例
                //float rate = smoothstep(sqrt(_PetalLength * _PetalLength + _PetalWidth * _PetalWidth), 0, length(pos));
                return lerp(_BackgroundColor, _PetalColor, rate);
            }

            fixed4 mixStamenColor(fixed4 color, float2 pos) { // 混合花蕊颜色
                float stamenWidth = _PetalWidth * 0.25; // 花蕊宽度
                float len = length(pos); // 顶点离花蕊的长度
                float rate = smoothstep(stamenWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
                return lerp(color, _StamenColor, rate);
            }

            fixed4 mixHeartColor(fixed4 color, float3 pos) { // 混合花心颜色
                float heartWidth = _PetalLength * 0.4; // 花心宽度
                float len = length(pos); // 顶点离花心的长度
                float rate = smoothstep(heartWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
                return lerp(color, _HeartColor, rate);
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
                updateParams(); // 更新花瓣宽度、长度信息
                float3 vertVec = i.worldPos - _Center.xyz;
                float nearAngle = getNearAngle(vertVec); // 获取与顶点最近的花瓣角度
                float3 stamen = getStamen(nearAngle); // 获取离顶点最近的花蕊位置
                float2 pos = getProjXY(i.worldPos - stamen, stamen - _Center.xyz); // 顶点在花蕊坐标系下的投影坐标
                fixed4 color = mixPetalColor(pos); // 混合花瓣颜色
                color = mixStamenColor(color, pos); // 混合花蕊颜色
                color = mixHeartColor(color, vertVec); // 混合花心颜色
                return color;
            }

            ENDCG
        }
    }
}

运行效果如下：

3 发射花瓣特效

本节将实现花瓣周期性向四周发射特效，并且在发射过程中向一直旋转。

3.1 花瓣发射原理

1）旋转原理

在第 1 节的基础上，我们需要修改 OS 的旋转角度计算，第 1 个花瓣的旋转角度不再是 0，而是在 0 ~ (2π / _PetalNum) 之间周期性变化，具体计算如下。

float3 vertVec = worldPos - _Center; // 向量OP
float proj = dot(normalize(vertVec), float3(0, 0, 1)); // OP在OZ上的投影
float angle = acos(proj); // 向量OP的角度
if (vertVec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
	angle = UNITY_TWO_PI - angle;
}
float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum; // 每个花瓣的角度
float initAngle = fmod(_Time.y * _RotateSpeed, delta); // 第1个花瓣的旋转角度
float k = round((angle - initAngle) / delta); // 旋转的花瓣的个数
float nearAngle = k * delta + initAngle; // 向量OS的角度

2）发射原理

在第 1 节的基础上，我们需要修改 S 点的计算，OS 的长度不再是 _PetalLength，而是随时间逐渐增大的，具体计算如下。

float time = fmod(_Time.y, _CastTime); // 当前发射周期中, 花瓣移动的时间
float dist = _MoveSpeed * time; // 当前发射周期中, 花瓣移动的距离
float len = length(worldPos - _Center); // 当前顶点距离花心的距离
if (len >= dist) { // 顶点在最外一环的花蕊外面
	return dist;
}
float petalLength = _PetalLength * 2; // 花瓣长度
float k = round((dist - len) / petalLength); // 顶点与最外一环的花蕊相隔的花瓣环数
float norm = dist - k * petalLength; // OS模长(与顶点最近一环的花蕊到花心的距离)

S 点坐标计算如下。

float3 vec = float3(sin(nearAngle), 0, cos(nearAngle)); // 向量OS的单位方向向量
float3 stamen = _Center + vec * norm; // S点坐标(离P点最近的花蕊坐标)

3.3 花瓣发射实现

FlowerEffect.shader

Shader "MyShader/FlowerEffect"  { // 发射花瓣特效
    Properties{
        _BackgroundColor("BackgroundColor", Color) = (1, 1, 1, 1) // 地面颜色
        _PetalColor("PetalColor", Color) = (1, 0, 0, 1) // 花瓣颜色
        _StamenColor("StamenColor", Color) = (0, 1, 0, 1) // 花蕊颜色
        _HeartColor("_HeartColor", Color) = (1, 1, 0, 1) // 花心颜色
        _Center("Center", Vector) = (0, 0, 0, 0) // 花心坐标
        _PetalNum("PetalNum", Range(3, 30)) = 15 // 花瓣个数
        _PetalWidth("PetalWidth", Range(0.1, 1)) = 0.5 // 花瓣宽度
        _PetalLength("PetalLength", Range(1, 20)) = 2 // 花瓣长度
        _RotateSpeed("RotateSpeed", Range(0.2, 5)) = 1 // 花瓣旋转速度
        _MoveSpeed("MoveSpeed", Range(0.2, 5)) = 1 // 花瓣移动速度
        _CastTime("_CastTime", Range(1, 10)) = 5 // 花瓣发射周期
    }

    SubShader{
        Pass {
            CGPROGRAM

            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            fixed4 _BackgroundColor; // 背景颜色
            fixed4 _PetalColor; // 花瓣颜色
            fixed4 _StamenColor; // 花蕊颜色
            fixed4 _HeartColor; // 花心颜色
            float4 _Center; // 花蕊中心
            int _PetalNum; // 花瓣个数
            float _PetalWidth; // 花瓣宽度
            float _PetalLength; // 花瓣长度
            float _RotateSpeed; // 花瓣旋转速度
            float _MoveSpeed; // 花瓣移动速度
            float _CastTime; // 花瓣发射周期

            struct a2v {
                float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
            };

            struct v2f {
                float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
                float3 worldPos : TEXCOORD0; // 纹理uv坐标
            };

            v2f vert(a2v v) {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 世界空间顶点坐标
                return o;
            }

            float getLen(float3 vertVec) { // 获取顶点最近的花蕊到花心的距离
                float time = fmod(_Time.y, _CastTime); // 当前发射周期中, 花瓣移动的时间
                float dist = _MoveSpeed * time; // 当前发射周期中, 花瓣移动的距离
                float len = length(vertVec); // 当前顶点距离花心的距离
                if (len >= dist) {
                    return dist;
                }
                float petalLength = _PetalLength * 2;
                return dist - round((dist - len) / petalLength) * petalLength;
            }

            float getNearAngle(float3 vec) { // 获取与vec向量方向最近的花瓣的角度
                float proj = dot(normalize(vec), float3(0, 0, 1));
                float angle = acos(proj);
                if (vec.x < 0) { // OP的旋转角度大于180°
                    angle = UNITY_TWO_PI - angle;
                }
                float delta = UNITY_TWO_PI / _PetalNum;
                float initAngle = fmod(_Time.y * _RotateSpeed, delta);
                float k = round((angle - initAngle) / delta);
                return k * delta + initAngle;
            }

            float3 getStamen(float angle, float len) { // 获取离顶点最近的花蕊位置
                float3 vec = float3(sin(angle), 0, cos(angle));
                return _Center.xyz + vec * len;
            }

            float2 getProjXY(float3 vec1, float3 vec2) { // 获取vec1在vec2下的的投影坐标
                float x = abs(dot(vec1, normalize(vec2)));
                float y = sqrt(dot(vec1, vec1) - x * x);
                return float2(x, y);
            }

            fixed4 mixPetalColor(float2 pos) { // 混合花瓣颜色
                float rate = smoothstep(_PetalLength, 0, pos.x) * smoothstep(_PetalWidth, 0, pos.y); // 顶点属于花瓣的比例
                //float rate = smoothstep(sqrt(_PetalLength * _PetalLength + _PetalWidth * _PetalWidth), 0, length(pos));
                return lerp(_BackgroundColor, _PetalColor, rate);
            }

            fixed4 mixStamenColor(fixed4 color, float2 pos) { // 混合花蕊颜色
                float stamenWidth = _PetalWidth * 0.25; // 花蕊宽度
                float len = length(pos); // 顶点离花蕊的长度
                float rate = smoothstep(stamenWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
                return lerp(color, _StamenColor, rate);
            }

            fixed4 mixHeartColor(fixed4 color, float3 pos) { // 混合花心颜色
                float heartWidth = _PetalLength * 0.4; // 花心宽度
                float len = length(pos); // 顶点离花心的长度
                float rate = smoothstep(heartWidth, 0, len); // 顶点属于花蕊的比例
                return lerp(color, _HeartColor, rate);
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
                float3 vertVec = i.worldPos - _Center.xyz;
                float len = getLen(vertVec); // 获取顶点距离最近的内环花蕊的距离
                float nearAngle = getNearAngle(vertVec); // 获取与顶点最近的花瓣角度
                float3 stamen = getStamen(nearAngle, len); // 获取离顶点最近的花蕊位置
                float2 pos = getProjXY(i.worldPos - stamen, stamen - _Center.xyz); // 顶点在花蕊坐标系下的投影坐标
                fixed4 color = mixPetalColor(pos); // 混合花瓣颜色
                color = mixStamenColor(color, pos); // 混合花蕊颜色
                color = mixHeartColor(color, vertVec); // 混合花心颜色
                return color;
            }

            ENDCG
        }
    }
}

运行效果：