前回実装したGPUパーティクルは、影の描画に対応していませんでした。
今回はUnity5に合わせ、物理ベースレンダリング、影の描画に対応したバージョンを作成したのでご紹介します。
最初は気楽に考えていましたが、ドキュメントがまだ少ないのもあり、実際に作ってみるとピクセルシェーダーによる影の切り抜きや、頂点シェーダからサーフェイスシェーダーへの値の受け渡しなどがかなり大変でした。
▼前回
[Unity]コンピュートシェーダ(GPGPU)で1万個のパーティクルを動かす | notargs.com
動作
いい感じにアニメーションします。
物理ベースシェーダ/影の描画/ポイントライトなどにも対応しています。
ソース
CircleParticle.cs
「擬似インスタンシング」と呼ばれる技術を使っています。
あらかじめ一つのメッシュ内に全パーティクル用のジオメトリを仕込んでおき、UVによってパーティクルIDを表すことで、一回のDrawCallで数千個のパーティクルを描画できます。
パーティクル情報は構造化バッファとして保存しておき、更新、生産にはコンピュートシェーダを活用しています。
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using UnityEngine; using System.Collections; using System.Collections.Generic; using System.Runtime.InteropServices; public class CircleParticle : MonoBehaviour { // インスタンスごとの情報 struct Instance { Vector3 position; float time; float totalTime; }; static readonly int indicesCount = 6; // 1インスタンスあたりのインデックス数 static readonly int verticesCount = 4; // 1インスタンスあたりの頂点数 static readonly int instanceCount = 65000 / indicesCount; // インスタンスの数 Mesh mesh; // メッシュ Material material; // マテリアル ComputeBuffer computeBuffer; // コンピュートバッファ ComputeShader particleUpdater; // コンピュートシェーダ int emitIDOffset; // 生産するIDのオフセット // 初期化 void Start () { // コンピュートバッファの生産 computeBuffer = new ComputeBuffer(instanceCount, Marshal.SizeOf(typeof(Instance)), ComputeBufferType.Default); // コンピュートシェーダの初期化 particleUpdater = Resources.Load<ComputeShader>("Shaders/Particle/CircleParticleUpdater"); // マテリアルの初期化 material = new Material(Shader.Find("Particles/CircleParticle")); // メッシュ用の配列を初期化 var vertices = new List<Vector3>(instanceCount * verticesCount);//(-1, -1); var uv0 = new List<Vector2>(instanceCount * verticesCount); var uv1 = new List<Vector2>(instanceCount * verticesCount); var indices = new int[instanceCount * indicesCount]; for (int id = 0; id < instanceCount; id++) { // 頂点データ vertices.Add(new Vector2(-1, -1)); vertices.Add(new Vector2( 1, -1)); vertices.Add(new Vector2(-1, 1)); vertices.Add(new Vector2( 1, 1)); // UV0の初期化 uv0.Add(new Vector2(0, 0)); uv0.Add(new Vector2(1, 0)); uv0.Add(new Vector2(0, 1)); uv0.Add(new Vector2(1, 1)); // UV1はバッファアクセス用のID代わりに使う for (int i = 0; i < 4; i++) { uv1.Add(new Vector2(id, 0)); } // インデックスを初期化 indices[id * indicesCount + 0] = id * verticesCount + 0; indices[id * indicesCount + 1] = id * verticesCount + 2; indices[id * indicesCount + 2] = id * verticesCount + 1; indices[id * indicesCount + 3] = id * verticesCount + 1; indices[id * indicesCount + 4] = id * verticesCount + 2; indices[id * indicesCount + 5] = id * verticesCount + 3; } // メッシュを初期化 mesh = new Mesh(); mesh.SetVertices(vertices); mesh.SetUVs(0, uv0); mesh.SetUVs(1, uv1); mesh.SetIndices(indices, MeshTopology.Triangles, 0); mesh.RecalculateBounds(); mesh.RecalculateNormals(); var bounds = mesh.bounds; bounds.min = -new Vector3(100, 100, 100); bounds.max = new Vector3(100, 100, 100); mesh.bounds = bounds; } // 更新処理 void Update () { // パーティクルの追加 particleUpdater.SetFloat("_Time", Time.time); var emitKernel = particleUpdater.FindKernel("Emit"); particleUpdater.SetBuffer(emitKernel, "_Instances", computeBuffer); particleUpdater.SetInt("_InstanceCount", instanceCount); particleUpdater.SetInt("_EmitIDOffset", emitIDOffset); particleUpdater.SetInt("_EmitCount", 10); particleUpdater.Dispatch(emitKernel, instanceCount / 8 + 1, 1, 1); emitIDOffset += 10; // パーティクルの更新 particleUpdater.SetFloat("_DeltaTime", Time.deltaTime); particleUpdater.SetBuffer(particleUpdater.FindKernel("Update"), "_Instances", computeBuffer); particleUpdater.Dispatch(particleUpdater.FindKernel("Update"), instanceCount / 8 + 1, 1, 1); // メッシュのレンダリング material.SetBuffer("_Instances", computeBuffer); Graphics.DrawMesh(mesh, Matrix4x4.TRS(transform.position, transform.rotation, transform.lossyScale), material, 0); } /// <summary> /// 破棄 /// </summary> public void OnDestroy() { computeBuffer.Release(); } } |
CircleParticle.shader
どうしてもサーフェイスシェーダを使いたかったのですが、頂点シェーダからサーフェイスシェーダへIDを受け渡す術が見つからなかったためuv_MainTex.xの整数部をID、小数部をUV座標とみなしてIDの受け渡しを行っています。
ここについては今回のコードの中でも最上級のクソースだと思っているので、何か良い方法があったら教えて下さい。
また、ShadowCasterパスを自前で定義し、影についてもサーフェイスシェーダー同様にクリッピングを行っています。
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Shader "Particles/CircleParticle" { Properties { _MainTex("MainTex", 2D) = "white" {} } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } Cull Off LOD 200 //============================ // ポリゴンを描画するPass CGPROGRAM #pragma surface surf Standard fullforwardshadows vertex:vert #pragma target 3.0 // インスタンスごとの情報 struct CircleParticleInstance { float3 position; float time; float totalTime; }; // 入力 struct Input { float2 uv_MainTex; }; // 構造化バッファ #ifdef SHADER_API_D3D11 StructuredBuffer<CircleParticleInstance> _Instances; #endif // 頂点シェーダ void vert(inout appdata_full v) { v.vertex.xyz += _Instances[(int)v.texcoord1].position; // 整数部をID、小数部をUV座標として保持 v.texcoord.x += (int)v.texcoord1; } // サーフェイスシェーダ void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) { int id = (int)IN.uv_MainTex.x; CircleParticleInstance instance; #ifdef SHADER_API_D3D11 instance = _Instances[id]; #endif float2 uv = fmod(IN.uv_MainTex, 1); clip(pow(instance.time / instance.totalTime, 0.5f) * 0.5f - length(uv - 0.5)); clip(length(uv - 0.5) - pow(instance.time / instance.totalTime, 2) * 0.5f); o.Albedo = float3(1, 1, 1); o.Metallic = 0; o.Smoothness = 0; o.Alpha = 1; } ENDCG //============================ // 影を描画するPass Pass{ Name "ShadowCaster" Tags{ "LightMode" = "ShadowCaster" } ZWrite On ZTest LEqual Cull Off CGPROGRAM #pragma exclude_renderers gles #pragma multi_compile_shadowcaster #pragma target 3.0 #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityStandardShadow.cginc" // インスタンスごとの情報 struct CircleParticleInstance { float3 position; float time; float totalTime; }; // 構造化バッファ #ifdef SHADER_API_D3D11 StructuredBuffer<CircleParticleInstance> _Instances; #endif // 頂点シェーダ出力構造体 struct VertexOutput { V2F_SHADOW_CASTER_NOPOS float2 tex : TEXCOORD1; float2 tex1 : TEXCOORD2; float id : TEXCOORD3; float4 pos : TEXCOORD4; }; // 頂点シェーダ入力構造体 struct VertexIn { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; float2 uv0 : TEXCOORD0; float2 id : TEXCOORD1; }; // 頂点シェーダ void vert(VertexIn v, out VertexOutput o, out float4 opos : SV_POSITION) { v.vertex.xyz += _Instances[(int)v.id].position; TRANSFER_SHADOW_CASTER_NOPOS(o, opos) o.tex = TRANSFORM_TEX(v.uv0, _MainTex); o.tex1 = v.uv0; o.id = v.id; o.pos = opos; } // フラグメントシェーダ half4 frag( VertexOutput i ) : SV_Target { CircleParticleInstance instance = _Instances[(int)i.id]; float2 uv = i.tex1; clip(pow(instance.time / instance.totalTime, 0.5f) * 0.5 - length(uv - 0.5)); clip(length(uv - 0.5) - pow(instance.time / instance.totalTime, 2) * 0.5f); SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i) } ENDCG } } FallBack "Diffuse" } |
Resources/Shaders/Particle/CircleParticleUpdater.compute
パーティクルの更新処理と生産処理です。
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#pragma kernel Emit #pragma kernel Update float _Time; // 現在時間 float _DeltaTime; // 経過時間 int _InstanceCount; // インスタンス数 int _EmitIDOffset; // 追加するIDのオフセット int _EmitCount; // 追加する数 // インスタンスごとの情報 struct CircleParticleInstance { float3 position; float time; float totalTime; }; // インスタンスバッファ RWStructuredBuffer<CircleParticleInstance> _Instances; // ランダム関数 float rand(float2 co){ return frac(sin(dot(co.xy, float2(12.9898,78.233))) * 43758.5453); } // パーティクルを生産する [numthreads(8, 1, 1)] void Emit (uint3 id : SV_DispatchThreadID) { if (fmod((float)id + _EmitIDOffset, _InstanceCount) > _EmitCount) return; CircleParticleInstance instance; instance.position = (float3(rand(float2(id.x, _Time + 0)), rand(float2(id.x, _Time + 1)), rand(float2(id.x, _Time + 2))) - 0.5f) * 100; instance.time = 0; instance.totalTime = 2; _Instances[id.x] = instance; } // パーティクルを更新する [numthreads(8, 1, 1)] void Update (uint3 id : SV_DispatchThreadID) { CircleParticleInstance instance = _Instances[id.x]; instance.time += _DeltaTime; _Instances[id.x] = instance; } |
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