Billboards 技术在Unity 中的几种使用方法

关于billboard技术，原理就是计算出来一个始终朝向摄像机的面片，可以在CPU里计算，也可以在GPU里实现。应用的场合很多：

游戏角色的头顶文字，血条

场景的树，草

特效粒子片

3d场景里的2d角色

world space计算
思路：shader中传入面片的中心点的世界坐标，以及摄像机的right和up在world space的方向，中心点直接沿着right和up方向计算四个顶点的世界坐标，定点数据中包含了每个顶点的偏移信息。然后乘以ViewProjection矩阵，作为输出。
这里有个trick的地方，就是从object space 到world space是没有旋转的，只有偏移，所以摄像机在世界空间的right就是模型空间的right。MV的逆矩阵相当于View到Object的变换，转置是为了去列向量好取。
[code]            CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float2 vertexOffset : TEXCOORD1;
};

struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
};

sampler2D _MainTex;

v2f vert (appdata v)
{
v2f o;

//这里相当于取列向量

float3 right = UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz;
float3 up = UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz;

v.vertex.xyz += v.vertexOffset.x * right + v.vertexOffset.y * up;
o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_VP, float4(v.vertex.xyz, 1.0));

o.uv = v.uv;

return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{

// sample the texture
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
return col;
}
ENDCG

        Vector3[] vertices = new Vector3[4]
{
worldPos,
worldPos,
worldPos,
worldPos
};

int[] indices = new int[6]
{
0, 2, 1, 0, 3, 2
};

Vector2[] uvs = new Vector2[4]
{
new Vector2(0, 0),
new Vector2(0, 1),
new Vector2(1, 1),
new Vector2(1, 0),
};

Vector2[] uv2s = new Vector2[4]
{
new Vector2(-0.5f, -0.5f),
new Vector2(0.5f, -0.5f),
new Vector2(0.5f, 0.5f),
new Vector2(-0.5f, 0.5f),
};

meshFilter.mesh.vertices = vertices;
meshFilter.mesh.triangles = indices;
meshFilter.mesh.uv = uvs;
meshFilter.mesh.uv2 = uv2s;

clip space计算
思路：还是传入中心点的世界坐标，以及4个顶点的偏移信息。把中心点转到
clip space，然后按照偏移信息缩放。这个适用的场合是面片不随距离摄像机的远近而缩放。
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float2 vertexOffset : TEXCOORD1;
};

struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 color : TEXCOORD1;
float4 vertex : SV_POSITION;
};

sampler2D _MainTex;

v2f vert (appdata v)
{
v2f o;

o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.vertex.xyz /= o.vertex.w;

o.vertex.xy += v.vertexOffset.xy * float2(0.2, 0.05);
o.vertex.w = 1;

o.uv = v.uv;

return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{

// sample the texture
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
return col;
}
ENDCG

view space计算
上面两种方式都是通过传入中心点坐标到shader进行计算，但是有时候并不能获得面片的中心点坐标，比如Unity中的SpriteRenderer，这时候的思路是：把中心点即（0，0，0，1）（Object space）转到View Space，然后顶点再做偏移。
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_P,
mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0))
+ float4(i.vertex.x, i.vertex.y, 0.0, 0.0));

CPU计算
思路：面片的位置发生变化，或者摄像机发生变化的时候，重新计算一下面片的旋转，让它始终朝向摄像机
private void CalcBillboard()
{
if(instance != null)
{
instance.transform.rotation = Camera.main.transform.rotation;
}
}


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