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そろそろShaderをやるパート45 クッションのような凹み表現

2021/10/10に公開約12,500字

そろそろShaderをやります

そろそろShaderをやります。そろそろShaderをやりたいからです。
パート100までダラダラ頑張ります。10年かかってもいいのでやります。
100記事分くらい学べば私レベルの初心者でもまあまあ理解できるかなと思っています。

という感じでやってます。

※初心者がメモレベルで記録するので
 技術記事としてはお力になれないかもしれません。

下準備

下記参考
そろそろShaderをやるパート1 Unite 2017の動画を見る(基礎知識~フラグメントシェーダーで色を変える)

デモ

タイトル詐欺かよってくらい質感がクッションではないですがデモです。

仕組みはWireFrameで見るとよくわかります。
衝突座標周辺の頂点座標を動かしています。

Shaderサンプル

テッセレーションを行い、CustomRenderTextureのR成分に応じて頂点座標を動かす原理です。R成分への書き込みはC#とShader両方を駆使して行います。

この辺りの詳細な原理は下記リンクで解説済みなので省略します。

【参考リンク】:そろそろShaderをやるパート28 テッセレーションで波紋表現
【参考リンク】:そろそろShaderをやるパート30 衝突座標から波紋を発生させる

下記がR成分の書き込みを行うShaderです。

Shader "Custom/CushionSimulation"
{
    Properties
    {
        _InteractiveDisplacement("Interactive Displacement", Range(-1.0, 1.0)) = 0.1
    }

    CGINCLUDE
    #include "UnityCustomRenderTexture.cginc"

    float _InteractiveDisplacement;

    //通常状態
    float4 frag(v2f_customrendertexture i) : SV_Target
    {
        float2 uv = i.globalTexcoord;
        // 現在の位置のテクセルをフェッチ
        float2 self = tex2D(_SelfTexture2D, uv);
        //徐々に凹みが元に戻る
        return float4(self.r * 0.99, 0, 0, 0);
    }

    //インタラクティブに応じて利用されるフラグメントシェーダー
    float4 frag_interactive(v2f_customrendertexture i) : SV_Target
    {
        float2 uv = i.globalTexcoord;
        // 現在の位置のテクセルをフェッチ
        float2 self = tex2D(_SelfTexture2D, uv);
        //徐々に凹む
        return float4(clamp((self.r - 0.01) * 1.0001,_InteractiveDisplacement,0), 0, 0, 0);
    }
    
    ENDCG

    SubShader
    {
        Cull Off ZWrite Off ZTest Always

        //デフォルトで利用されるPass
        Pass
        {
            Name "Update"
            CGPROGRAM
            #pragma vertex CustomRenderTextureVertexShader
            #pragma fragment frag
            ENDCG
        }

        //インタラクティブに応じて利用されるPass
        Pass
        {
            Name "Interactive"
            CGPROGRAM
            #pragma vertex CustomRenderTextureVertexShader
            #pragma fragment frag_interactive
            ENDCG
        }
    }
}

前回記事で解説済みですが、パスを2つ定義しています。
これらを衝突に応じて衝突箇所周辺のみ切り替えます。
【参考リンク】:そろそろShaderをやるパート29 マウスクリックした箇所に波紋を発生させる

C#サンプル

先ほど述べた衝突箇所周辺のパスの切り替えを担うC#のScriptです。

Planeにアタッチ
using UnityEngine;

/// <summary>
/// オブジェクトが衝突した箇所を凹ませる
/// </summary>
public class CushionController : MonoBehaviour
{
    [SerializeField] private CustomRenderTexture _customRenderTexture;
    [SerializeField] private int _iterationPerFrame = 5;
    
    private CustomRenderTextureUpdateZone _defaultZone;

    private const float TOLERANCE = 1E-2f;
    private int[] _meshTriangles;
    private Vector3[] _meshVertices;
    private Vector2[] _meshUV;
    private MeshFilter _meshFilter;

    private void Start()
    {
        _meshFilter = GetComponent<MeshFilter>();
        _meshTriangles = _meshFilter.mesh.triangles;
        _meshVertices = _meshFilter.mesh.vertices;
        _meshUV = _meshFilter.mesh.uv;

        //初期化
        _customRenderTexture.Initialize();

        //シミュレート用のUpdateZone
        //全体の更新用
        _defaultZone = new CustomRenderTextureUpdateZone
        {
            needSwap = true,
            passIndex = 0,
            rotation = 0f,
            updateZoneCenter = new Vector2(0.5f, 0.5f),
            updateZoneSize = new Vector2(1f, 1f)
        };
    }

    //Updateはダメ ライフサイクル要参照
    private void FixedUpdate()
    {
        //UpdateZoneはリセット
        _customRenderTexture.ClearUpdateZones();
        //更新したいフレーム数を指定して更新
        _customRenderTexture.Update(_iterationPerFrame);
    }

    private void OnTriggerStay(Collider other)
    {
        //衝突座標(ワールド座標)
        //ClosestPointOnBoundsは正確な値を返さなかったのでオブジェクトのバウンズの原点を使う
        var hitPos = other.bounds.center;
        hitPos.y = transform.position.y;
        //ワールド座標からローカル座標に変換
        var hitLocalPos = transform.InverseTransformPoint(hitPos);
        //hitLocalPosをuvに変換して代入 成功したら実行
        if (LocalPointToUV(hitLocalPos, out var uv))
        {
            var boundsSize = other.bounds.size;
            var planeScale = transform.localScale;
            
            //衝突時に使用するUpdateZone
            //衝突した箇所を更新の原点とする
            //使用するパスも衝突用に変更
            var interactiveZone = new CustomRenderTextureUpdateZone
            {
                needSwap = true,
                passIndex = 1,
                rotation = 0f,
                updateZoneCenter = new Vector2(uv.x, 1 - uv.y),
                //汚いけどこれで丁度良い感じの範囲が凹む
                updateZoneSize = new Vector2(boundsSize.x * 1 / planeScale.x * 0.1f, boundsSize.z * 1 / planeScale.z * 0.1f)
            };

            _customRenderTexture.SetUpdateZones(new CustomRenderTextureUpdateZone[] {_defaultZone, interactiveZone});
        }
    }

    private void OnTriggerExit(Collider other)
    {
        //クリック時のUpdateZoneがクリック後も適応された状態にならないように一度消去する
        _customRenderTexture.ClearUpdateZones();
    }

    /// <summary>
    /// 受け取ったローカル座標をUV座標に変換
    /// </summary>
    /// <param name="localPoint">任意のローカル座標</param>
    /// <param name="uv">変換後のUV座標</param>
    /// <returns>変換に成功したらTrue</returns>
    private bool LocalPointToUV(Vector3 localPoint, out Vector2 uv)
    {
        //そこまで大差ないらしいけど一応for文の外で宣言
        int index0;
        int index1;
        int index2;
        Vector3 t1;
        Vector3 t2;
        Vector3 t3;

        //Mesh内に存在する三角形を調査
        //ある点pが与えられた3点において平面上に存在するか計算
        for (var i = 0; i < _meshTriangles.Length; i += 3)
        {
            index0 = i + 0;
            index1 = i + 1;
            index2 = i + 2;

            //三角形の各頂点
            t1 = _meshVertices[_meshTriangles[index0]];
            t2 = _meshVertices[_meshTriangles[index1]];
            t3 = _meshVertices[_meshTriangles[index2]];

            //同一平面上に任意の座標が定義されているかどうかチェック
            if (!CheckInPlane(localPoint, t1, t2, t3))
                continue;
            //三角形の内部に存在するかどうか 境界面(辺の上、頂点の真上)もチェック
            if (!CheckOnTriangleEdge(localPoint, t1, t2, t3) && !CheckInTriangle(localPoint, t1, t2, t3))
                continue;

            //三角形の各頂点のUVを取得
            var uv1 = _meshUV[_meshTriangles[index0]];
            var uv2 = _meshUV[_meshTriangles[index1]];
            var uv3 = _meshUV[_meshTriangles[index2]];
            //UV座標に変換
            uv = CalculateUV(localPoint, t1, uv1, t2, uv2, t3, uv3);
            return true;
        }

        uv = default(Vector3);
        return false;
    }
   
    /// <summary>
    /// 同一平面上に任意の座標が定義されているかどうか判定
    /// </summary>
    /// <param name="p">調査対象の座標</param>
    /// <param name="t1">三角形ポリゴンの頂点座標1</param>
    /// <param name="t2">三角形ポリゴンの頂点座標2</param>
    /// <param name="t3">三角形ポリゴンの頂点座標3</param>
    /// <returns>同一平面上に任意の座標が定義されていたらTrue</returns>
    private bool CheckInPlane(Vector3 p, Vector3 t1, Vector3 t2, Vector3 t3)
    {
        //各点同士の成すベクトルを計算
        var v1 = t2 - t1;
        var v2 = t3 - t1;
        var vp = p - t1;

        //外積により三角形ポリゴンの頂点の法線方向を算出
        var nv = Vector3.Cross(v1, v2);
        //内積による判定 同一平面である場合、計算結果は0
        var val = Vector3.Dot(nv.normalized, vp.normalized);
        //計算の誤差を許容するための判定
        if (-TOLERANCE < val && val < TOLERANCE)
        {
            return true;
        }

        return false;
    }

    /// <summary>
    /// 同一平面上に存在する任意の座標が三角形内部に存在するかどうか
    /// 境界面(辺の上、頂点の真上)は判定外
    /// </summary>
    /// <param name="p">調査対象の座標</param>
    /// <param name="t1">三角形ポリゴンの頂点座標1</param>
    /// <param name="t2">三角形ポリゴンの頂点座標2</param>
    /// <param name="t3">三角形ポリゴンの頂点座標3</param>
    /// <returns>同一平面上に存在する任意の座標が三角形内部に存在していたらTrue</returns>
    private bool CheckInTriangle(Vector3 p, Vector3 t1, Vector3 t2, Vector3 t3)
    {
        //外積により三角形ポリゴンの各頂点の法線方向を算出
        var a = Vector3.Cross(t1 - t3, p - t1).normalized;
        var b = Vector3.Cross(t2 - t1, p - t2).normalized;
        var c = Vector3.Cross(t3 - t2, p - t3).normalized;

        //内積を利用して法線方向が同じ向きかどうか計算 同じ向きなら1
        var d_ab = Vector3.Dot(a, b);
        var d_bc = Vector3.Dot(b, c);

        //計算の誤差を許容するための判定
        if (1 - TOLERANCE < d_ab && 1 - TOLERANCE < d_bc)
        {
            return true;
        }

        return false;
    }

    /// <summary>
    /// 座標の情報からUV座標を算出する
    /// </summary>
    /// <param name="p">調査対象の座標</param>
    /// <param name="t1">三角形ポリゴンの頂点座標1</param>
    /// <param name="t1UV">三角形ポリゴンの頂点のUV座標1</param>
    /// <param name="t2">三角形ポリゴンの頂点座標2</param>
    /// <param name="t2UV">三角形ポリゴンの頂点のUV座標2</param>
    /// <param name="t3">三角形ポリゴンの頂点座標3</param>
    /// <param name="t3UV">三角形ポリゴンの頂点のUV座標3</param>
    /// <returns>UV座標</returns>
    private Vector2 CalculateUV(Vector3 p, Vector3 t1, Vector2 t1UV, Vector3 t2, Vector2 t2UV, Vector3 t3, Vector2 t3UV)
    {
        //メインカメラ取得
        var renderCamera = Camera.main;
        //プロジェクション変換一歩手前のMVP行列 = プロジェクション行列 * ビュー行列 * モデル行列
        Matrix4x4 mvp = renderCamera.projectionMatrix * renderCamera.worldToCameraMatrix * transform.localToWorldMatrix;
        //各点をプロジェクション空間へ変換
        Vector4 p1_p = mvp * new Vector4(t1.x, t1.y, t1.z, 1);
        Vector4 p2_p = mvp * new Vector4(t2.x, t2.y, t2.z, 1);
        Vector4 p3_p = mvp * new Vector4(t3.x, t3.y, t3.z, 1);
        Vector4 p_p = mvp * new Vector4(p.x, p.y, p.z, 1);
        //Wで除算することでプロジェクション座標変換は完了する
        //Shaderでは勝手にやってくれるらしいが、今回は自分でやる 透視変換というらしい
        //Z(深度)は破棄
        Vector2 p1_n = new Vector2(p1_p.x, p1_p.y) / p1_p.w;
        Vector2 p2_n = new Vector2(p2_p.x, p2_p.y) / p2_p.w;
        Vector2 p3_n = new Vector2(p3_p.x, p3_p.y) / p3_p.w;
        Vector2 p_n = new Vector2(p_p.x, p_p.y) / p_p.w;
        //頂点のなす三角形を点pにより3分割し、必要になる面積を計算
        //三角形を二分割して底辺×高さを計算した後に÷2してる
        var s = ((p2_n.x - p1_n.x) * (p3_n.y - p1_n.y) - (p2_n.y - p1_n.y) * (p3_n.x - p1_n.x)) * 0.5f; //全体
        var s1 = ((p3_n.x - p_n.x) * (p1_n.y - p_n.y) - (p3_n.y - p_n.y) * (p1_n.x - p_n.x)) * 0.5f; //分割した一部
        var s2 = ((p1_n.x - p_n.x) * (p2_n.y - p_n.y) - (p1_n.y - p_n.y) * (p2_n.x - p_n.x)) * 0.5f; //分割した一部
        //面積比からuvを補間 
        var u = s1 / s;
        var v = s2 / s;
        //パースペクティブコレクトを適用しつつ、面積比で任意のUV座標を求める
        var areaRatio = (1 - u - v) * 1 / p1_p.w + u * 1 / p2_p.w + v * 1 / p3_p.w;
        return ((1 - u - v) * t1UV / p1_p.w + u * t2UV / p2_p.w + v * t3UV / p3_p.w) / areaRatio;
    }

    /// <summary>
    /// 三角形ポリゴンの各辺の上に座標があるかどうか判定
    /// </summary>
    /// <param name="p">Points to investigate.</param>
    /// <param name="t1">三角形ポリゴンの頂点座標1</param>
    /// <param name="t2">三角形ポリゴンの頂点座標2</param>
    /// <param name="t3">三角形ポリゴンの頂点座標3</param>
    /// <returns>三角形ポリゴンの各辺の上に座標があればTrue</returns>
    private bool CheckOnTriangleEdge(Vector3 p, Vector3 t1, Vector3 t2, Vector3 t3)
    {
        return CheckOnEdge(p, t1, t2) || CheckOnEdge(p, t2, t3) || CheckOnEdge(p, t3, t1);
    }

    /// <summary>
    /// 境界面(頂点)のチェック
    /// </summary>
    /// <param name="p">調査対象の座標</param>
    /// <param name="v1">頂点座標1</param>
    /// <param name="v2">頂点座標2</param>
    /// <returns>調査対象の座標が境界上にあればTrue</returns>
    private bool CheckOnEdge(Vector3 p, Vector3 v1, Vector3 v2)
    {
        return 1 - TOLERANCE < Vector3.Dot((v2 - p).normalized, (v2 - v1).normalized);
    }
}

ワールド座標からUV座標を算出する計算が神過ぎて何でもできるような気がしてきました。

はまったところ、工夫したところ

コメントにも書いていますが、ClosestPointOnBoundsは正確な衝突座標を返してくれませんでした。

そのため、Boundsの中心、すなわちオブジェクトのコライダーのオフセットを衝突座標としています。

あとはふわーっと凹んでふわーっと元に戻る表現ですが、
下記の箇所が担っています。

Custom/CushionSimulationより抜粋

 //徐々に凹みが元に戻る
 return float4(self.r * 0.99, 0, 0, 0);
 
 //徐々に凹む
 return float4(clamp((self.r - 0.01) * 1.0001,_InteractiveDisplacement,0), 0, 0, 0);

現在描画しているピクセルを徐々に大きく・小さくさせている訳です。
clamp(x,a,b)はxをa ~ bにクランプする(まるめる)のでaより小さい、もしくはbより大きい値をxが保持していてもaより小さくもbより大きくもなりません。

凹み方が四角形なのが若干ダサいので衝突したオブジェクトの形状に応じて、、、みたいなことできないかなーというのが課題です。

参考リンク

InkPainter
基礎的な関数
【Unity】雪をかき分けるような処理の実装を見ることができる「Snow Trail」紹介
歩いた場所の雪が凹むやつ作った

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