【Unity3D】半球卷屏特效

1 原理

凸镜贴图和渐变凸镜贴图中介绍了使用 OpenGL 实现凸镜贴图及其原理，通过顶点坐标映射到纹理坐标，并构造三角形网格，构建了真正的三维凸镜模型。本文通过 Shader 实现半球卷屏特效，通过屏幕坐标映射到纹理坐标，不需要构建凸镜模型，效率更高。

1）凸变换原理

以下凸变换的原理图及公式推导，该图是截面图，vertex 是屏幕坐标，texture 是纹理坐标。

注意：屏幕坐标原坐标原点在屏幕左上角，y 轴向下，x、y 轴的值域分别为 [0, ScreenWidth]、[0, ScreenHeight]，纹理坐标原坐标原点在纹理图片左下角，x、y 轴的值域都是 [0, 1]，这里已进行了一些预处理，将屏幕坐标和纹理坐标的坐标轴都变换到中心位置，x、y 轴的值域都变换到 [-1, 1]。

2）渐变原理

当凸镜半角 (φ/2) 较小时（近似0°），凸镜半径较大 (近似无穷大)，屏幕只需要贴到凸镜的很小一块区域，该区域近似一个平面；当凸镜半角 (φ/2) 较大时（等于90°），凸镜半径较大（等于 1/sin(φ/2)），屏幕贴满整个凸镜；当凸镜半角 (φ/2) 由 0° 渐变到 90° 时，就会看到屏幕逐渐卷曲的效果。

本文代码资源见→Unity3D半球卷屏特效。

2 代码实现

CurlEffect.cs

using UnityEngine;

[RequireComponent(typeof(Camera))]  // 屏幕后处理特效一般都需要绑定在像机上

public class CurlEffect : MonoBehaviour {

    public float curlSpeed = 0.4f; // 卷屏速度

    private Material smallConvexMaterial; // 小凸变换材质

    private Material largeConvexMaterial; // 大凸变换材质

    private bool enableSmallConvex = false; // 小凸变换开关

    private bool enableLargeConcave = false; // 大凸变换开关

    private float alpha; // 卷屏凸镜渐变半角

    private void Awake() {

        smallConvexMaterial = new Material(Shader.Find("Custom/Curl/SmallConvex"));

        largeConvexMaterial = new Material(Shader.Find("Custom/Curl/LargeConvex"));

        smallConvexMaterial.hideFlags = HideFlags.DontSave;

        largeConvexMaterial.hideFlags = HideFlags.DontSave;

    }

    private void Update() {

        if (Input.GetMouseButton(0)) {

            alpha = 0.01f;

            curlSpeed = Mathf.Abs(curlSpeed);

            enableSmallConvex = true;

            enableLargeConcave = false;

        }

    }

    private void OnRenderImage (RenderTexture source, RenderTexture destination) {

        if (enableSmallConvex) {

            smallConvexMaterial.SetFloat("_alpha", alpha);

            IncreaseAlpha();

            Graphics.Blit (source, destination, smallConvexMaterial);

        } else if (enableLargeConcave) {

            largeConvexMaterial.SetFloat("_alpha", alpha);

            IncreaseAlpha();

            Graphics.Blit (source, destination, largeConvexMaterial);

        } else {

            Graphics.Blit (source, destination);

        }

    }

    private void IncreaseAlpha() { // alpha自增

        alpha += Time.deltaTime * curlSpeed;

        if (alpha > Mathf.PI / 2 && curlSpeed > 0) {

            alpha = Mathf.PI / 2;

            curlSpeed = -curlSpeed;

        } else if (alpha < 0.01f && curlSpeed < 0) {

            alpha = 0.01f;

            curlSpeed = -curlSpeed;

            enableSmallConvex = !enableSmallConvex; // 大凸镜和小凸镜交替执行

            enableLargeConcave = ! enableLargeConcave;

        }

    }

}

SmallConvex.shader

Shader "Custom/Curl/SmallConvex" // 小凸镜变换

{

    Properties

    {

        _MainTex ("mainTex", 2D) = "white" {}

    }

    SubShader

    {

        Pass

        {

            ZTest Always

            Cull Off

            ZWrite Off

            Fog { Mode off }

            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert_img // UnityCG.cginc中定义了vert_img方法, 对vertex和texcoord进行了处理, 输出v2f_img中的pos和uv

            #pragma fragment frag

            #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest

            #include "UnityCG.cginc"

            sampler2D _MainTex;

            float _alpha;

            float2 beforeConvex(float2 pos)

            { // 小凸化前置变换, 将pos的窄边映射到(-1, 1)之间

                pos /= _ScreenParams.xy; // 坐标映射到(0, 1)之间

                pos = pos * 2 - 1; // 坐标映射到(-1, 1)之间

                pos.y = -pos.y; // 屏幕坐标系原点在左上角, y轴向下, 所以要取反

                pos.x *= (_ScreenParams.x / _ScreenParams.y); // 窄边映射到(-1, 1)之间, 宽边映射到(-ratio, ratio)之间(ratio为屏幕宽高比)

                return pos;

            }

            float2 convex(float2 pos)

            { // 凸化变换, 将屏幕坐标映射到纹理坐标, 窄边映射到(-1, 1)之间, 宽边大致映射到(-ratio, ratio)之间(ratio为屏幕宽高比)

                float rho = length(pos);

                float beta = rho * sin(_alpha);

                if (beta > 1)

                {

                    return float2(-10000, -1000000);

                }

                return pos * asin(beta) / _alpha / rho;

            }

            float2 afterConvex(float2 uv)

            { // 小凸化后置变换, 将uv的窄边和宽边都映射到(0, 1)之间

                uv.x = uv.x / (_ScreenParams.x / _ScreenParams.y) / 2 + 0.5; // 坐标由(-ratio, ratio)还原到(0, 1)

                uv.y = uv.y / 2 + 0.5; // 坐标由(-1, 1)还原到(0, 1)

                return uv;

            }

            fixed4 frag(v2f_img i) : SV_Target // uv坐标的计算不能在顶点着色器中进行, 因为屏后处理的顶点只有屏幕的4个角顶点

            {

                float2 pos = beforeConvex(i.pos.xy);

                float2 uv = convex(pos);

                uv = afterConvex(uv);

                if (uv.x < 0 || uv.y < 0 || uv.x > 1 || uv.y > 1)

                {

                    return fixed4(0, 0, 0, 0);

                }

                return tex2D(_MainTex, uv);

            }

            ENDCG

        }

    }

    Fallback off

}

LargeConvex.shader

Shader "Custom/Curl/LargeConvex" // 大凸镜变换

{

    Properties

    {

        _MainTex ("mainTex", 2D) = "white" {}

    }

    SubShader

    {

        Pass

        {

            ZTest Always

            Cull Off

            ZWrite Off

            Fog { Mode off }

            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert_img // UnityCG.cginc中定义了vert_img方法, 对vertex和texcoord进行了处理, 输出v2f_img中的pos和uv

            #pragma fragment frag

            #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest

            #include "UnityCG.cginc"

            sampler2D _MainTex;

            float _alpha;

            float2 beforeConvex(float2 pos)

            { // 大凸化前置变换, 将pos的宽边映射到(-1, 1)之间

                pos /= _ScreenParams.xy; // 坐标映射到(0, 1)之间

                pos = pos * 2 - 1; // 坐标映射到(-1, 1)之间

                pos.y = -pos.y; // 屏幕坐标系原点在左上角, y轴向下, 所以要取反

                pos.y /= (_ScreenParams.x / _ScreenParams.y); // 宽边映射到(-1, 1)之间, 窄边映射到(-1/ratio, 1/ratio)之间(ratio为屏幕宽高比)

                return pos;

            }

            float2 convex(float2 pos)

            { // 凸化变换, 将屏幕坐标映射到纹理坐标, 宽边映射到(-1, 1)之间, 窄边大致映射到(-1/ratio, 1/ratio)之间(ratio为屏幕宽高比)

                float rho = length(pos);

                float beta = rho * sin(_alpha);

                if (beta > 1)

                {

                    return float2(-10000, -1000000);

                }

                return pos * asin(beta) / _alpha / rho;

            }

            float2 afterConvex(float2 uv)

            { // 大凸化后置变换, 将uv的宽边和窄边都映射到(0, 1)之间

                uv.x = uv.x / 2 + 0.5; // 坐标由(-1, 1)还原到(0, 1)

                uv.y = uv.y * (_ScreenParams.x / _ScreenParams.y) / 2 + 0.5; // 坐标由(-ratio, ratio)还原到(0, 1)

                return uv;

            }

            fixed4 frag(v2f_img i) : SV_Target // uv坐标的计算不能在顶点着色器中进行, 因为屏后处理的顶点只有屏幕的4个角顶点

            {

                float2 pos = beforeConvex(i.pos.xy);

                float2 uv = convex(pos);

                uv = afterConvex(uv);

                if (uv.x < 0 || uv.y < 0 || uv.x > 1 || uv.y > 1)

                {

                    return fixed4(0, 0, 0, 0);

                }

                return tex2D(_MainTex, uv);

            }

            ENDCG

        }

    }

    Fallback off

}

3 运行效果

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