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鱼的游动+Compute Shader

news 2025/8/12 18:21:31

鱼的vertex游动

--鱼的each vertex都在自己的xz平面移动

自己在属性里先规定掉，然后是对vertex.xyz的旋转矩阵

        // 围绕指定“上”轴做平面旋转（yaw）float3 rotateAroundUp(float3 p, float angle, int upAxis){float s, c; sincos(angle, s, c);//给一个角度，创造旋转矩阵if (upAxis == 0){// X 作为上轴 -> 旋转 yzfloat2 yz = mul(float2x2(c, -s, s, c), p.yz);p.y = yz.x; p.z = yz.y;}else if (upAxis == 2){// Z 作为上轴 -> 旋转 xyfloat2 xy = mul(float2x2(c, -s, s, c), p.xy);p.x = xy.x; p.y = xy.y;}else{// Y 作为上轴 -> 旋转 xzfloat2 xz = mul(float2x2(c, -s, s, c), p.xz);p.x = xz.x; p.z = xz.y;}return p;}

Simple

首先是简单的顶点旋转：

vert里对each vertex.xyz 绕着object space的中心点进行旋转，是比较简单的

（鱼的mesh网格的默认model space就是鱼脖子，所以这里是绕着鱼的脖子进行旋转）

很明显的是，obj space的-z方向的each vertex都不参与旋转

Lerp

但如果在进入vert时拿一个新的p0记录初始vertex.xyz，一个p记录被进行的各种变化

到最后的时候v.vertex.xyz = lerp(p0, p, factor);

利用factor进行lerp，

        float FinalLerpFactor(appdata_full v){float a = GetSingleXYZFromVertex(v.vertex.xyz, _BaseSwingAxis);float d = max(0, a - _HeadPivot);//distancereturn saturate(d / _TransformIntensity);}

距离越靠近鱼脖子，factor越小（但始终是有0到1的界限）

----运行时调整 _TransformIntensity

这里的鱼尾巴看上去少移动了，实际上是lerp已经是1了，不能再增加

所以目前

加上Sin

但其实还是有些单调了，因为看上去只是绕着 鱼脖子原点 来回旋转。所以这时候要在Lerp的影响包围下，再进行一些处理了

要制造各个vertex的差异化旋转angle，对each vertex接受的旋转angle进行“个人特色”处理

            float a = GetSingleXYZFromVertex(v.vertex.xyz, _BaseSwingAxis);float phase = a * _Frequency - _Time.y * _Speed;float angle = _Amplitude * sin(phase);//提供变化的角度，乘上幅度

这种特色是 距离鱼脖子的距离 导致的

原本的是共用时间影响-->共用angle，上面的则添加了各自的距离影响，如果距离远的就在sin函数里进度靠前一些（重点是每个vertex都在sin函数上以一种连续的方式加上了影响）

可以想象成，原本是所有vertex在同一个sin函数中，在同一竖x向右移动，而修改之后，是

x0-xn的n竖x在同时向右移动。这样的移动方式带上了sin的感觉

            float phase =  _Time.y * _Speed; float angle = _Amplitude * sin(phase);//提供变化的角度，乘上幅度

值得考虑的应该就是暴露参数的问题了吧，

compute shader

放到.compute里面用于计算鱼的移动数据，而放到.shader里，才是真的要把这些数据都用上

（因为数据在同一个compute buffer，.shader里直接取算好的）-渲染n次fish   用在一个材质实例

cs中：

public struct GPUBoid_Draw
{public Vector3 position;      // Boid 的位置---默认从脚本本地作为坐标系public Vector3 direction;     // Boid 的朝向---默认从脚本本地作为坐标系public float noise_offset;    // (compute shader中控制speed随机)public Vector3 padding;       // 内存对齐的，凑到28+12==40
}

对于这个padding，听说是可以优化帧率？但是又不是16的整数倍，，去掉也可以

public ComputeShader _ComputeFlock; 
private ComputeBuffer BoidBuffer;
ComputeBuffer _drawArgsBuffer;

初始化数据start：

创建数据实例& 绑定.compute文件的kernel入口函数

        // 初始化 Boid 数据this.boidsData = new GPUBoid_Draw[this.BoidsCount];this.kernelHandle = _ComputeFlock.FindKernel("CSMain");for (int i = 0; i < this.BoidsCount; i++){this.boidsData[i] = this.CreateBoidData();this.boidsData[i].noise_offset = Random.value * 1000.0f;}

数据buffer的绑定

        //12 + 12 + 4 + 12 = 40字节---pos + dir + noise_offset + paddingBoidBuffer = new ComputeBuffer(BoidsCount, 40);BoidBuffer.SetData(this.boidsData);

.shader 渲染模式定义的buffer设定

        _drawArgsBuffer = new ComputeBuffer(1, 5 * sizeof(uint), ComputeBufferType.IndirectArguments);//这个缓冲区会被 Graphics.DrawMeshInstancedIndirect 读取， 之后 一次性批量渲染所有Boid实例_drawArgsBuffer.SetData(new uint[5] { BoidMesh.GetIndexCount(0), (uint)BoidsCount, 0, 0, 0 });// 后面三个高级用法设为0

update中：

 void Update(){// 向计算着色器传递参数_ComputeFlock.SetFloat("DeltaTime", Time.deltaTime);_ComputeFlock.SetFloat("RotationSpeed", RotationSpeed);_ComputeFlock.SetFloat("BoidSpeed", BoidSpeed);_ComputeFlock.SetFloat("BoidSpeedVariation", BoidSpeedVariation);_ComputeFlock.SetVector("FlockPosition", Target.transform.position);_ComputeFlock.SetFloat("NeighbourDistance", NeighbourDistance);_ComputeFlock.SetInt("BoidsCount", BoidsCount);_ComputeFlock.SetBuffer(this.kernelHandle, "boidBuffer", BoidBuffer);// 调度计算着色器，更新 Boid 状态_ComputeFlock.Dispatch(this.kernelHandle, Mathf.CeilToInt(this.BoidsCount / (float)GROUP_SIZE), 1, 1);// _props作为最后一个参数，但改成null也没有出现bug？、、_drawArgsBuffer是确认数量和渲染方式，而BoidMaterial.SetBuffer则是对单体data的集合的绑定BoidMaterial.SetBuffer("boidBuffer", BoidBuffer);Graphics.DrawMeshInstancedIndirect(BoidMesh, 0, BoidMaterial,new Bounds(Vector3.zero, Vector3.one * 1000),_drawArgsBuffer, 0, null);}

优化修改

但目前的效果很明显就是，所有的鱼都是用同一个运动动画，没有差异，如果要添加差异的话，也比较简单，

就是在.shader中angle计算中再加入each fish mesh 从compute buffer里拿出的数据的单独影响

unity_InstanceID，这样确保fish内的vertices 整体运动计算不变，只是初始angle状态不同

不影响fish内的vertices 的运动变化计算

  • noise_offset 让每只 boid 的噪声相位不同，其实也可以使用，但这里独立出来一些

void vert(inout appdata_full v, out Input o){UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input, o);// 相位：沿“鱼长轴”推进；速度由 _Speed 控float a = GetSingleXYZFromVertex(v.vertex.xyz, _BaseSwingAxis);float phase = a * _Frequency - _Time.y * _Speed;   // _Time.y 为秒级时间#ifdef UNITY_PROCEDURAL_INSTANCING_ENABLEDphase += unity_InstanceID;#endiffloat angle = _Amplitude * sin(phase);//提供变化的角度，乘上幅度// 以 HeadPivot 为枢轴做 yaw，再按尾权重插值（头稳、尾摆）float3 p0 = v.vertex.xyz;float3 p = p0;// 把点移到枢轴坐标系（只在“Swing轴”上挪动），同样的套路，先回归0旋转，然后再加到原来的位置(为了顶点可以在自己的位置为基准进行移动)if (_BaseSwingAxis == 0) p.x -= _HeadPivot;else if (_BaseSwingAxis == 1) p.y -= _HeadPivot;else p.z -= _HeadPivot;p = rotateAroundUp(p, angle, _YawAxis);//Swing平面的upif (_BaseSwingAxis == 0) p.x += _HeadPivot;else if (_BaseSwingAxis == 1) p.y += _HeadPivot;else                    p.z += _HeadPivot;v.vertex.xyz = lerp(p0, p, FinalLerpFactor(v));#ifdef UNITY_PROCEDURAL_INSTANCING_ENABLEDv.vertex = mul(_LookAtMatrix, v.vertex); // 变向矩阵（每个vertex都会look_at_matrix计算出自己的矩阵），appdata_full v，是自己的object space内的旋转v.vertex.xyz += _BoidPosition;           // 绕obj(0,0,0)旋转后加上_BoidPosition，重新把鱼放到cs给的data里的Position里//不然只是鱼转了，加的不是compute buffer里的数据，也就没有连续性了#endif// 之后 Unity 会把对象空间顶点自动变换到裁剪空间（Surface Shader流水线）。:contentReference[oaicite:4]{index=4}}

关于噪声

对于.compute里的速度噪声

[numthreads(GROUP_SIZE, 1, 1)] // 定义线程组的维度
void CSMain(uint3 id : SV_DispatchThreadID)
{uint instanceId = id.x; // 获取当前线程的IDBoid boid = boidBuffer[instanceId]; // 获取当前Boid的数据// 整体鱼群的时间作为系数的采样noise1 （加上了噪声位移，所以每条鱼又错开了float noise = clamp(noise1(_Time / 100.0 + boid.noise_offset), -1, 1) * 2.0 - 1.0;float velocity = BoidSpeed * (1.0 + noise * BoidSpeedVariation); // 计算Boid的速度

注释里就解释了很好了

// 哈希函数，用于生成伪随机数
float hash(float n)
{return frac(sin(n) * 43758.5453); // 通过正弦函数生成伪随机数}
// 噪声函数，返回范围为 -1.0f 到 1.0f 的值
float noise1(float3 x)
{//return (hash(x.x), hash(x.y), hash(x.z)); // 简化的噪声函数,效果很差，鱼就是凑成一个球的样子//把空间划分成整数网格单元，p 是格子 ID，f 是格子内的局部坐标float3 p = floor(x);//x：输入的 3D 坐标。float3 f = frac(x);//f：小数部分f = f * f * (3.0 - 2.0 * f);//经典的 Hermite smoothstep 平滑曲线公式,让插值在 0 和 1 处一阶导数为 0（平滑过渡）--在做插值时不会有明显的硬边。float n = p.x + p.y * 57.0 + 113.0 * p.z;//用 p.x, p.y, p.z 按不同的系数组合成一个唯一的格子索引值。57 和 113 是选的质数，避免模式重复（减少哈希冲突）。/*hash(n + 0.0)   // (0,0,0)hash(n + 1.0)   // (1,0,0)hash(n + 57.0)  // (0,1,0)hash(n + 58.0)  // (1,1,0)hash(n + 113.0) // (0,0,1)hash(n + 114.0) // (1,0,1)hash(n + 170.0) // (0,1,1)hash(n + 171.0) // (1,1,1)一个立方体有 8 个角点（每个角点一个随机值）。hash() 返回该点的随机值（0~1），不依赖输入顺序。上面的加法是为了区分不同角点的索引。下面第一层 lerp：沿 X 轴在两个顶点间插值（左 vs 右）。第二层 lerp：沿 Y 轴在 X 插值结果之间插值（前 vs 后）。第三层 lerp：沿 Z 轴在 Y 插值结果之间插值（下 vs 上）。这就是三维的线性插值，用平滑过的 f 做权重，让结果连续光滑。*/returnlerp(lerp(lerp(hash(n + 0.0), hash(n + 1.0), f.x), lerp(hash(n + 57.0), hash(n + 58.0), f.x),f.y),lerp(lerp(hash(n + 113.0), hash(n + 114.0), f.x), lerp(hash(n + 170.0), hash(n + 171.0), f.x),f.y),f.z);
}

至于为什么.compute里使用这个噪声函数去扰乱速度

没稳定之前都是类似的

稳定后

三重Lerp 的noise1的效果：

简单的随机噪点图的效果

其实差别也不算很大？？把noise直接去掉，鱼始终恒定速度不变化，最后运动的轨迹也是差不多的绕圈子，就是因为速度没有变化了，所以看上去可能更加机械了，所有鱼的速度都统一，少了动态感，但 差的真的不是很多，如下

  • 第一张是“平滑值噪声（跟你贴的 noise1 一样的逻辑：8 个角点哈希→三线性插值→平滑曲线）”，块状平滑、连续。

  • 第二张是“白噪声（点对点独立的随机）”，颗粒感强、完全不连续。

这样你能直观看到：为什么要 floor/frac 划分格子、为什么要对 8 个角点做 三重 lerp、以及 f*f*(3-2*f)（Hermite smoothstep）带来的平滑效果。

GPT：

要点再补两句（便于你对照代码）：

  • p=floor(x)、f=frac(x)：把空间切成整数格子，p 是格子编号，f 是格子内坐标。

  • n = p.x + p.y*57 + 113*p.z：把三维格子坐标压成一个索引，避免冲突用质数权重。

  • hash(n + offsets)：8 个角点各取一次伪随机值。

  • 三层 lerp(..., f.x / f.y / f.z)：分别沿 X、Y、Z 做线性插值。

  • f = f*f*(3-2*f)：把线性插值的权重“抛光”，在 0 和 1 处一阶导数为 0，避免硬边。

想更进一步的话，我还能给你：

  • 同一块区域不同 z 切片的动画（看 3D 噪声沿 z 的连贯性）；

  • 去掉 smoothstep 的对比图，让你看到边缘为什么“打结”；

  • 把 octaves（多频叠加） 做成 fractal noise（fbm），看看云雾/水面那种层级细节怎么出来的。
    要哪个我就继续画 👌

http://www.dtcms.com/a/323987.html

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