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 ShaderMultiMeshInstance 实现。使用下面的技术,即使是在低端硬件上你也可以渲染成千上万的动画对象。

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> 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,您将使用骨骼和 Skeleton 为对象做动画。然而,骨骼的动画是在 CPU 上做的,所以你必须为每一帧计算成千上万的操作,因此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,你就可以避免使用骨骼,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 uniform 控制运动量。我们使用 uniform 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 TIME 定义自己的时间变量开始。

//time_scale is a uniform float
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 TIMEcos 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.

//side_to_side is a uniform float
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:

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

然后我们把它乘以 VERTEX.xz,应用到 xz 轴上。

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 .

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 cos 的位置, 也就是我们在上面定义的变量 body

//wave is a uniform float
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 body 来偏移 cos,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。

//twist is a uniform float
float twist_angle = cos(time + body) * 0.3 * twist;
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.

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,所以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 mask (遮罩)。

mask 是个浮点数,从鱼头的 0 过渡到鱼尾的 1 ,我们用 smoothstep 来控制在哪里进行由 01 的过渡。

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

下面是把 COLOR 设置成 mask 后这条鱼的样子:

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

我们在做波浪运动的地方乘以 mask 就可以把动作限制在后半部分。

//wave motion with mask
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.

//twist motion with mask
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 uniform 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。

MultiMeshInstance 节点的创建和使用与 MeshInstance 节点相同。在本教程中,我们将把 MultiMeshInstance 节点命名为 School(鱼群),因为里面会有一群鱼。

有了 MultiMeshInstance 之后就再添加一个 MultiMesh,然后在 MultiMesh 上添加使用上述着色器的 Mesh

MultiMeshes 使用三个额外的实例属性来绘制 Mesh:变换(旋转、平移、缩放)、颜色和自定义。自定义用于使用 Color 传入 4 个多用途变量。

instance_count 指定要绘制的网格的实例数量。现在,将 instance_count 保留为 0,因为当 instance_count 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 instance_count

transform_format 指定使用的变换是 3D 还是 2D。对于本教程,请选择 3D。

对于 color_formatcustom_data_format,你可以在 NoneByteFloat 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 instance_count 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 MultiMeshInstance tutorial 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.

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

你应该已经注意到所有鱼的游泳动作都是同步的了吧?这样看上去非常机械。下一步我们要做的就是让每一条鱼都处于游泳周期的不同位置,这样整个鱼群看起来就会更自然。

动画鱼群

使用 cos 函数给鱼做动画的一个好处是,它们只需要一个 time 参数。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 time

为此,我们将每个实例的自定义值 INSTANCE_CUSTOM 添加到 time 中。

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

接下来,我们需要向 INSTANCE_CUSTOM 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。

$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 INSTANCE_CUSTOM 乘以 TIME 让它们游泳更快或更慢,从而让它们更个性化。

//set speed from 50% - 150% of regular speed
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.

下一个教程中,我们将介绍如何使用粒子来利用 GPU,分别移动每条鱼,同时还能获得实例化的好处。