【UnityShader】レイマーチング入門【5】 #36
前回の成果
ソフトシャドウを実装した。
今回やること
レイマーチングで、モーフィングをします。
モーフィングとは、
ある画像が滑らかに次の画像へと変化するように、複数の画像の中間の画像を生成して連続的に変化させる技法。
事前準備
Scene上にQuadを配置します。
この際にTransformを画像の通りにしてください。
CameraとLightもQuadと同じように配置します。
ソースコード
Shader "Unlit/motionRaymarching" { Properties { _Radius("Radius", Range(0.0, 1.0)) = 0.3 _BlurShadow("BlurShadow", Range(0.0, 50.0)) = 16.0 _Speed("Speed", Range(0.0, 10.0)) = 2.0 } SubShader { Tags{ "Queue" = "Transparent" "LightMode"="ForwardBase"} LOD 100 Pass { ZWrite On Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" #include "Lighting.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float4 pos : POSITION1; float4 vertex : SV_POSITION; }; float _Radius; float _BlurShadow; float _Speed; float sphere(float3 pos) { return length(pos) - _Radius; } float plane(float3 pos) { float4 n = float4(0.0, 0.8, 0.0, 1.0); return dot(pos, n.xyz) + n.w; } float box(float3 pos) { float3 b = _Radius; float3 d = abs(pos) -b; return length(max(d, 0.0)) + min(max(d.x, max(d.y, d.z)), 0.0); } float getDist(float3 pos) { float time = (sin(_Time.y * _Speed) + 1.0f) * 0.5f; float morph = lerp(box(pos), sphere(pos), time); return min(plane(pos), morph); } float3 getNormal(float3 pos) { float d = 0.001; return normalize(float3( getDist(pos + float3(d, 0, 0)) - getDist(pos + float3(-d, 0, 0)), getDist(pos + float3(0, d, 0)) - getDist(pos + float3(0, -d, 0)), getDist(pos + float3(0, 0, d)) - getDist(pos + float3(0, 0, -d)) )); } float genShadow(float3 pos, float3 lightDir) { float marchingDist = 0.0; float c = 0.001; float r = 1.0; float shadowCoef = 0.5; for (float t = 0.0; t < 50.0; t++) { marchingDist = getDist(pos + lightDir * c); if (marchingDist < 0.001) { return shadowCoef; } r = min(r, marchingDist * _BlurShadow / c); c += marchingDist; } return 1.0 - shadowCoef + r * shadowCoef; } v2f vert(appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.pos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); o.uv = v.uv; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { float3 pos = i.pos.xyz; float3 rayDir = normalize(pos.xyz - _WorldSpaceCameraPos); const int StepNum = 30; for (int j = 0; j < StepNum; j++) { float marchingDist = getDist(pos); if (marchingDist < 0.001) { float3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz; float3 normal = getNormal(pos); float3 lightColor = _LightColor0; float shadow = genShadow(pos + normal * 0.001, lightDir); fixed4 col = fixed4(lightColor * max(dot(normal, lightDir), 0) * max(0.5, shadow), 1.0); col.rgb += fixed3(0.2f, 0.2f, 0.2f); return col; } pos.xyz += marchingDist * rayDir.xyz; } return 0; } ENDCG } } }
前回のソフトシャドウのソースのgetDist関数をlerpするようにしました。
getDist関数
float getDist(float3 pos) { float time = (sin(_Time.y * _Speed) + 1.0f) * 0.5f; float morph = lerp(box(pos), sphere(pos), time); return min(plane(pos), morph); }
以前までは、2つの距離関数のminを返すだけでした。
しかし、今回はplaneの距離関数とmorphとのminを返しています。
float time = (sin(_Time.y * _Speed) + 1.0f) * 0.5f;
これは正弦波を(sin波)を用いて計算しています。
正弦波は-1から1までを移動するので、負の数を出さないために+1.0fをしています。
1.0を加算することにより、最大値が2となってしまうため、0.5を乗算して最大値を1にしています。
それをlerpで線形補完した値をminで返しています。
正弦波や線形補完は下記で詳しく紹介しています。
boxの距離関数
boxの距離関数の説明はこちらのサイト様にあります。
こちらのサイト様で、
float3 b = _Radius; float3 d = abs(pos) - b; return length(max(d, 0.0));
この計算で、boxが描画できることが理解できます。
しかし、こちらの関数ですとモーフィング時におかしな挙動となってしまいます。
ですので、こちらのサイト様の距離関数を使用します。
こちらのサイト様には、他の距離関数もあるのでいくつか試してみるのも面白いと思います。
結果
このように、綺麗にモーフィング出来れば完成です。
ソースコードにコメントを付与
Shader "Unlit/motionRaymarching" { Properties { _Radius("Radius", Range(0.0, 1.0)) = 0.3 _BlurShadow("BlurShadow", Range(0.0, 50.0)) = 16.0 _Speed("Speed", Range(0.0, 10.0)) = 2.0 } SubShader { Tags{ "Queue" = "Transparent" "LightMode"="ForwardBase"} LOD 100 Pass { ZWrite On Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" #include "Lighting.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float4 pos : POSITION1; float4 vertex : SV_POSITION; }; // 球の大きさ float _Radius; // ブラーの強さ float _BlurShadow; // 線形補完の速度 float _Speed; // 中心との距離から球を描画 float sphere(float3 pos) { return length(pos) - _Radius; } // planeの描画 float plane(float3 pos) { // planeの傾き float4 n = float4(0.0, 0.8, 0.0, 1.0); return dot(pos, n.xyz) + n.w; } // 正方形の描画 float box(float3 pos) { float3 b = _Radius; float3 d = abs(pos) - b; return length(max(d, 0.0)) + min(max(d.x, max(d.y, d.z)), 0.0); } // planeと球との距離 float getDist(float3 pos) { // 正弦波で線形補完 float time = (sin(_Time.y * _Speed) + 1.0f) * 0.5f; float morph = lerp(box(pos), sphere(pos), time); return min(plane(pos), morph); } // 法線を取得 float3 getNormal(float3 pos) { // δ float d = 0.001; // 法線の公式より、各変数の偏微分から計算 return normalize(float3( getDist(pos + float3(d, 0, 0)) - getDist(pos + float3(-d, 0, 0)), getDist(pos + float3(0, d, 0)) - getDist(pos + float3(0, -d, 0)), getDist(pos + float3(0, 0, d)) - getDist(pos + float3(0, 0, -d)) )); } // 光源に向かってレイを飛ばす float genShadow(float3 pos, float3 lightDir) { float marchingDist = 0.0; float c = 0.001; float r = 1.0; float shadowCoef = 0.5; for (float t = 0.0; t < 50.0; t++) { marchingDist = getDist(pos + lightDir * c); // hitしたら影を落とす if (marchingDist < 0.001) { return shadowCoef; } // 反影の計算 r = min(r, marchingDist * _BlurShadow / c); c += marchingDist; } // hitしなかった場合、反影を描画 return 1.0 - shadowCoef + r * shadowCoef; } v2f vert(appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.pos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); o.uv = v.uv; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { float3 pos = i.pos.xyz; // レイのベクトル float3 rayDir = normalize(pos.xyz - _WorldSpaceCameraPos); const int StepNum = 30; for (int j = 0; j < StepNum; j++) { // レイを進める距離 float marchingDist = getDist(pos); // 衝突検知 if (marchingDist < 0.001) { float3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz; float3 normal = getNormal(pos); float3 lightColor = _LightColor0; // レイがオブジェクトにめり込むのを防ぐ float shadow = genShadow(pos + normal * 0.001, lightDir); // 内積によって色を変化させる fixed4 col = fixed4(lightColor * max(dot(normal, lightDir), 0) * max(0.5, shadow), 1.0); // 環境光のオフセット col.rgb += fixed3(0.2f, 0.2f, 0.2f); return col; } // レイを進める pos.xyz += marchingDist * rayDir.xyz; } // stepNum回レイを進めても衝突しなかったらピクセルを透明にする return 0; } ENDCG } } }
今回はここまでとなります。
ここまでご視聴ありがとうございました！
