用MultiMeshInstance动画化数以千计条鱼

本教程探索了游戏 ABZU 中使用的一种技术,该技术使用顶点动画和静态网格实例,来渲染和制作成千上万的鱼动画.

在Godot中,这可以通过自定义:参考:`着色器<类_着色器>`和:参考:`多重网格实例<类_多重网格实例>`实现.使用下面的技术,你可以渲染成千上万的动画对象,即使是在低端硬件上.

我们将从一条鱼的动画开始.然后,我们将看到如何将该动画扩展到数千条鱼.

动画化一条鱼

单击下面的材质 Plane Mesh 菜单并创建一个新的 ShaderMaterial.

这是我们用于示例图像的鱼,您可以使用任何您喜欢的鱼模型.

../../../_images/fish.png

注解

本教程中的鱼模型由 QuaterniusDev<http://quaternius.com&gt; 制作,使用如下知识共享许可.CC0 1.0通用(CC0 1.0)公共领域贡献https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/

通常情况下,您将使用单根骨和:参考:`骨骼<类_骨骼>`为对象做动画.然而,单根骨的动画在CPU上进行计算,所以你必须为每一帧计算成千上万的操作,那么就不可能有成千上万的对象.在顶点着色器中使用顶点动画,你就可以避免使用单根骨,而是完全在GPU上,使用几行代码来计算完整的动画.

动画由四个关键帧动作组成:

  1. 从一边运动到另一边

  2. 绕着鱼的中心作旋转运动

  3. 平移波动运动

  4. 平移扭转运动

所有的动画代码都在顶点着色器中,并由uniforms控制运动量.我们使用uniforms来控制运动的强度,这样你就可以在编辑器中调整动画,并实时看到结果,而不用重新编译着色器.

所有的运动都将使用余弦波应用于模型空间中的 VERTEX .我们希望顶点在模型空间中,使运动总是相对于鱼的方向.例如,side-to-side将始终使鱼在其左至右的方向上来回移动,而不是在世界方向的 x 轴上.

为了控制动画的速度,我们将通过使用”时间”定义自己的时间变量开始.

  1. //time_scale is a uniform float
  2. float time = TIME * time_scale;

我们将实施的第一项议案是左右运动. 它可以通过``TIME``的``cos``抵消``VERTEX.x``来制作. 每次渲染网格时,所有顶点都会移动到”cos(时间)”的数量.

  1. //side_to_side is a uniform float
  2. VERTEX.x += cos(time) * side_to_side;

生成的动画看起来是这样的:

../../../_images/sidetoside.gif

接下来,我们添加轴心点. 因为鱼以(0, 0)为中心,我们所要做的只是将”VERTEX”乘以旋转矩阵,使其围绕鱼的中心旋转.

我们构造一个旋转矩阵, 如下所示:

  1. //angle is scaled by 0.1 so that the fish only pivots and doesn't rotate all the way around
  2. //pivot is a uniform float
  3. float pivot_angle = cos(time) * 0.1 * pivot;
  4. mat2 rotation_matrix = mat2(vec2(cos(pivot_angle), -sin(pivot_angle)), vec2(sin(pivot_angle), cos(pivot_angle)));

然后我们把它应用到”x”轴和”z”轴上乘以”顶点.xz”.

  1. VERTEX.xz = rotation_matrix * VERTEX.xz;

在只应用枢轴(pivot )的情况下,您会看到这个:

../../../_images/pivot.gif

接下来的两个动作需要沿着鱼的脊柱平移.为此,我们需要一个新的变量, body . body 是一个浮点数，在鱼的尾部是 0 ，在头部是 1 .

  1. float body = (VERTEX.z + 1.0) / 2.0; //for a fish centered at (0, 0) with a length of 2

下一个运动是沿着鱼的长度向下移动的余弦波.为了让它沿着鱼的脊柱移动,我们用脊柱的位置来偏移输入到”余弦”的位置,也就是我们在上面定义的变量”身体”.

  1. //wave is a uniform float
  2. VERTEX.x += cos(time + body) * wave;

这看起来很像我们上面定义的左右运动,但在这个例子中,通过使用”身体”来偏移”余弦”,沿着脊柱的每个顶点在波浪中都有不同的位置,使它看起来像是沿着鱼移动的波浪.

../../../_images/wave.gif

最后一个动作是扭转,也就是沿着脊柱滚动.类似轴心运动,我们首先构造一个旋转矩阵.

  1. //twist is a uniform float
  2. float twist_angle = cos(time + body) * 0.3 * twist;
  3. mat2 twist_matrix = mat2(vec2(cos(twist_angle), -sin(twist_angle)), vec2(sin(twist_angle), cos(twist_angle)));

我们在 xy 轴上应用旋转,使鱼看起来绕着它的脊柱滚动.要做到这一点,鱼的脊柱需要以 z 轴为中心.

  1. VERTEX.xy = twist_matrix * VERTEX.xy;

这是应用扭曲的鱼:

../../../_images/twist.gif

如果我们一个接一个地应用这些运动,就得到一个类似液体凝胶似的运动.

../../../_images/all_motions.gif

通常鱼主要使用身体的后半部分游泳.因此,我们需要将平移运动限制在鱼的后半部分.为此,我们创建一个新变量”遮罩”.

“遮罩”是一个浮点数,它使用”平滑步进”控制从”0”到”1”之间发生转换的点,从鱼最前面的”0”到最后的”1”.

  1. //mask_black and mask_white are uniforms
  2. float mask = smoothstep(mask_black, mask_white, 1.0 - body);

以下是这条鱼的图片,使用”颜色”作为”遮罩”:

../../../_images/mask.png

对于波浪,我们将运动乘以”遮罩”,这就把它限制在后半部分.

  1. //wave motion with mask
  2. VERTEX.x += cos(time + body) * mask * wave;

为了将遮罩应用于扭曲,我们使用 mix . mix 允许在完全旋转的顶点和未旋转的顶点之间混合顶点位置.需要使用 mix 而不是将 mask 乘以旋转后的 VERTEX ,因为不是将运动加到 VERTEX 上,而是用旋转后的版本替换 VERTEX .如果把它乘以 mask ,就会把鱼缩小.

  1. //twist motion with mask
  2. VERTEX.xy = mix(VERTEX.xy, twist_matrix * VERTEX.xy, mask);

将四个动作组合在一起,就得到了最终的动画效果.

../../../_images/all_motions_mask.gif

继续发挥uniforms的作用,以改变鱼的游泳周期.你会发现,你可以用这四个动作创造出各种各样的游泳方式.

制作一群鱼

Godot可以使用MultiMeshInstance节点轻松渲染成千上万的相同对象.

创建和使用多重网格实例节点的方法,与创建网格实例节点相同.在本教程中,我们将把多重网格实例节点命名为”鱼群”,因为里面会有一群鱼.

一旦你有了一个多重网格实例,添加:参考:多重网格<类_多重网格>,然后添加:参考:`网格<类_网格>`和上面的着色器.

多重网格使用三个额外的实例属性来绘制网格:变换(旋转、平移、缩放)、颜色和自定义.自定义用于使用:参考:`颜色<类_颜色>`传入4个多用途变量.

“实例_数量”指定要绘制的网格的实例数量.现在,将”实例_数量”保留为”0”,因为当”实例_数量”大于”0”时,您不能更改任何其他参数.我们稍后将在GDScript中设置”实例数量”.

“变换_格式”指定使用的变换是3D还是2D.对于本教程,选择3D.

对于 color_format 和 custom_data_format ,你可以在 None 、 Byte 和 Float 之间选择. None 意味着你不会将这些数据(无论是每个实例的 COLOR 变量,还是 INSTANCE_CUSTOM )传递给着色器. Byte 意味着组成你传入的颜色的每一个数字将被存储为8位,而 Float 意味着每一个数字将被存储为一个浮点数(32位). Float 速度较慢,但更精确, Byte 占用内存较少,速度较快,但你可能会看到一些视觉上的伪像.

现在,将”实例_数量”设置为您想要的鱼的数量.

接下来,我们需要设置每个实例的变换.

有两种方法可以为多个时间轴设置每个实例的变换.第一个完全在编辑器中,在:参考:`多重网格实例教程<文档_使用_多重_网格_实例>`中进行了描述.

第二种方法是,遍历所有实例,并在代码中设置它们的变换.下面,我们使用GDScript遍历所有实例,并将它们的变换设置为随机位置.

  1. for i in range($School.multimesh.instance_count):
  2.   var position = Transform()
  3.   position = position.translated(Vector3(randf() * 100 - 50, randf() * 50 - 25, randf() * 50 - 25))
  4.   $School.multimesh.set_instance_transform(i, position)

运行此脚本,会在多重网格实例位置周围的框中随机放置鱼.

注解

如果你关注性能问题,试着使用GLES2运行场景或摆放更少的鱼.

你注意到所有的鱼在它们的游泳周期中都处于相同的位置吗？这让他们看起来很机械刻板.下一步是让每条鱼在游泳周期中处于不同的位置,这样整个鱼群看起来就更加生动自然了.

动画鱼群

使用”余弦”函数给鱼动画的一个好处是,它们只需要一个参数,”时间”.为了让每条鱼在游泳周期中处于单独的位置,我们只需要偏移”时间”.

为此,我们将每个实例的自定义值”实例_自定义”添加到”时间”中.

  1. float time = (TIME * time_scale) + (6.28318 * INSTANCE_CUSTOM.x);

接下来,我们需要向”实例_自定义”传递一个值.通过在上面的”for”循环中添加一行来实现这一点.在”for”循环中,为每个实例分配一组四个随机浮点数来使用.

  1. $School.multimesh.set_instance_custom_data(i, Color(randf(), randf(), randf(), randf()))

现在这些鱼在游泳周期中都有独特的位置.你可以通过使用”实例_自定义”乘以”时间”让它们游泳更快或更慢,从而让它们更个性化.

  1. //set speed from 50% - 150% of regular speed
  2. float time = (TIME * (0.5 + INSTANCE_CUSTOM.y) * time_scale) + (6.28318 * INSTANCE_CUSTOM.x);

甚至您还可以像更改每个实例的自定义值一样,尝试更改每个实例的颜色.

这时你会遇到一个问题,那就是鱼是有动画的,但是它们没有移动.你可以通过每一帧更新每个鱼的实例变换来移动它们.虽然这样做会比每帧移动数千个MeshInstances要快,但还是可能会很慢.

下一个教程,我们将介绍如何使用:参考:`粒子<类_粒子>`来利用GPU,分别移动每条鱼,同时还能获得实例化的好处.