使用Unity实现动态2D水体效果

发表于2017-04-27

在本篇教程中，我们将使用简单的物理机制模拟一个动态的2D水体。我们将使用一个线性渲染器（Line Renderer）、网格渲染器（Mesh Renderer），触发器（Trigger）以及粒子的混合体来创造这一水体效果，最终的的效果将会包含波浪和水花溅起的特效。同样，本文中使用的制作原理可以应用于任何游戏引擎之中。

最终效果
本教程要实现的最终动态2D水体效果如下：

设置水管理器
第一步就是使用Unity的线段渲染器（Line Renderer）和一些节点来实现水浪的形状。如下图：

然后还要跟踪所有节点的位置、速度及加速度。这些信息使用数组来存储，在类的最上面添加以下代码：

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float[] xpositions;
float[] ypositions;
float[] velocities;
float[] accelerations;
LineRenderer Body;

LineRenderer用来保存所有节点及水体的轮廓。接下来使用网格来实现水体，还需创建游戏对象来使用这些网格。添加以下代码：

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GameObject[] meshobjects;

Mesh[] meshes;

为了让物体可以与水交互，还需为每个游戏对象添加碰撞器：

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GameObject[] colliders;

还要定义一些常量：

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const float springconstant = 0.02f;
const float damping = 0.04f;
const float spread = 0.05f;
const float z = -1f;

前三个常量用来控制水流速度、衰减度及传播速度，最后的z值用于控制水体的显示层次，这里设为-1表示会显示在对象前面。大家也可根据自己的需求进行调整。

还要设置一些值：

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float baseheight;
float left;
float bottom;

这三个变量定义了水的维度。

还要定义一些可以在编辑器中修改的公共变量，首先是制作水波四溅效果所需的粒子系统：

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public GameObject splash:

接下来是用于Line Renderer的材质：

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public Material mat:

还有用于模拟水体的网格：

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public GameObject watermesh:

这些资源均可在工程中获取。另外还需要一个管理器，保存所有数据并在游戏过程中生成水体。下面创建SpwanWater()函数来实现该功能。

该函数的参数分别为水体四周的边长：

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public void SpawnWater(float Left, float Width, float Top, float Bottom)

{}

创建节点
下面决定总共需要的节点数量：

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int edgecount = Mathf.RoundToInt(Width) * 5;

int nodecount = edgecount + 1;

这里对每单位宽度的水体使用5个节点，让整个水体运动看起来更平滑。你也可以自己权衡性能与平滑效果来选择合适的节点数量。这样就能得到所有的边数了，顶点数在此基础上加1。

下面使用LineRenderer组件来渲染水体：

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Body = gameObject.AddComponent();
Body.material = mat;
Body.material.renderQueue = 1000;
Body.SetVertexCount(nodecount);
Body.SetWidth(0.1f, 0.1f);

同时这里还通过渲染队列将材质的渲染顺序设为比水体更高。设置了节点总数，并将线段宽度设为0.1。

你也可以自己设置线段宽度，SetWidth()函数有两个参数，分别是线段的起始宽度和结束宽度，设为一样就表示线段宽度固定。

节点创建好后初始化上面声明的变量：

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positions = new float[nodecount];
ypositions = new float[nodecount];
velocities = new float[nodecount];
accelerations = new float[nodecount];
  
meshobjects = new GameObject[edgecount];
meshes = new Mesh[edgecount];
colliders = new GameObject[edgecount];
  
baseheight = Top;
bottom = Bottom;
left = Left;

现在所有的数组都初始化好，也拿到了所需的数据。下面就为各数组赋值，从节点开始：

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for (int i = 0; i < nodecount; i++)
{
    ypositions[i] = Top;
    xpositions[i] = Left + Width * i / edgecount;
    accelerations[i] = 0;
    velocities[i] = 0;
    Body.SetPosition(i, new Vector3(xpositions[i], ypositions[i], z));
}

将所有的y坐标设为水体上方，让水体各部分紧密排列。速度和加速度都为0表示水体是静止的。

循环结束后就通过LineRenderer将各节点设置到正确的位置。

创建网格
现在有了水波线段，下面就使用网格来实现水体。先添加以下代码：

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for (int i = 0; i < edgecount; i++)
{
    meshes[i] = new Mesh();
}

网格中也保存了一堆变量，第一个就是所有的顶点。

上图展示了网格片段的理想显示效果。第一个片段的顶点高亮显示，共有4个。

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Vector3[] Vertices = new Vector3[4];
Vertices[0] = new Vector3(xpositions[i], ypositions[i], z);
Vertices[1] = new Vector3(xpositions[i + 1], ypositions[i + 1], z);
Vertices[2] = new Vector3(xpositions[i], bottom, z);
Vertices[3] = new Vector3(xpositions[i+1], bottom, z);

数组的四个元素按顺序分别表示左上角、右上角、左下角和右下角的顶点位置。

网格所需的第二个数据就是UV坐标。UV坐标决定了网格用到的纹理部分。这里简单的使用纹理左上角、右上角、左下角及右下角的部分作为网格显示内容。

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Vector2[] UVs = new Vector2[4];
UVs[0] = new Vector2(0, 1);
UVs[1] = new Vector2(1, 1);
UVs[2] = new Vector2(0, 0);
UVs[3] = new Vector2(1, 0);

现在需要用到之前定义的数据。网格是由三角形组成的，而一个四边形可由两个三角形组成，所以这里要告诉网格如何绘制三角形。

按节点顺序观察各角，三角形A由节点0、1、3组成，三角形B由节点3、2、0组成。所以定义一个顶点索引数组顺序包含这些索引：

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

四边形定义好了，下面来设置网格数据。

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meshes[i].vertices = Vertices;
meshes[i].uv = UVs;
meshes[i].triangles = tris;

网格设置好了，还需添加游戏对象将其渲染到场景中。利用工程中的watermesh预制创建游戏对象，其中包含Mesh Renderer和Mesh Filter 组件。

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meshobjects[i] = Instantiate(watermesh,Vector3.zero,Quaternion.identity) as GameObject;
meshobjects[i].GetComponent().mesh = meshes[i];
meshobjects[i].transform.parent = transform;

将网格对象设为水管理器的子对象以便于管理。

创建碰撞器
下面添加碰撞器：

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colliders[i] = new GameObject();
colliders[i].name = "Trigger";
colliders[i].AddComponent();
colliders[i].transform.parent = transform;
colliders[i].transform.position = new Vector3(Left + Width * (i + 0.5f) / edgecount, Top - 0.5f, 0);
colliders[i].transform.localScale = new Vector3(Width / edgecount, 1, 1);
colliders[i].GetComponent().isTrigger = true;
colliders[i].AddComponent();

添加盒状碰撞器并统一命名以便于管理，同样将其设为管理器子对象。将碰撞器坐标设为节点中间，设置好大小并添加WaterDetector类。

下面添加函数来控制水体网格的移动：

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void UpdateMeshes()
    {
        for (int i = 0; i < meshes.Length; i++)
        {
  
            Vector3[] Vertices = new Vector3[4];
            Vertices[0] = new Vector3(xpositions[i], ypositions[i], z);
            Vertices[1] = new Vector3(xpositions[i+1], ypositions[i+1], z);
            Vertices[2] = new Vector3(xpositions[i], bottom, z);
            Vertices[3] = new Vector3(xpositions[i+1], bottom, z);
  
            meshes[i].vertices = Vertices;
        }
    }

该函数与上面的几乎一样，只是不需再设置三角形和UV。

下一步是在FixedUpdate()函数中添加物理特性让水体可以自行流动。

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void FixedUpdate()

{}

添加物理特性
首先是结合胡克定律和欧拉方法获取水体新的坐标、加速度及速度。

胡克定律即 F ＝ kx，F是指由水浪产生的力（这里的水体模型就是由一排水浪组成），k指水体强度系数，x是偏移距离。这里的偏移距离就是各节点的y坐标减去节点的基本高度。

接下来添加一个与速度成比例的阻尼因子形成水面的阻力。

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for (int i = 0; i < xpositions.Length ; i++)
        {
            float force = springconstant * (ypositions[i] - baseheight) + velocities[i]*damping ;
            accelerations[i] = -force;
            ypositions[i] += velocities[i];
            velocities[i] += accelerations[i];
            Body.SetPosition(i, new Vector3(xpositions[i], ypositions[i], z));
        }

欧拉方法很简单，就是在每帧用加速度更新速度然后用速度更新位置。

注意这里每个节点的作用力原子数量为1，你也可以改为其它值，这样加速度就是：

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accelerations[i] = -force/mass;

下面实现水浪的传播效果。

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float[] leftDeltas = new float[xpositions.Length];

float[] rightDeltas = new float[xpositions.Length];

这里创建了两个数组，对于每个节点，都要对比前一个节点与当前节点的高度差并将差值存入leftDeltas。

然后还要比较后一个节点与当前节点的高度差并将差值存入rightDeltas。还需将所有的差值乘以传播速度常量。

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for (int j = 0; j < 8; j++)
{
    for (int i = 0; i < xpositions.Length; i++)
    {
        if (i > 0)
        {
            leftDeltas[i] = spread * (ypositions[i] - ypositions[i-1]);
            velocities[i - 1] += leftDeltas[i];
        }
        if (i < xpositions.Length - 1)
        {
            rightDeltas[i] = spread * (ypositions[i] - ypositions[i + 1]);
            velocities[i + 1] += rightDeltas[i];
        }
    }
}

可以根据高度差立即改变速度，但此时只需保存坐标差即可。如果立即改变第一个节点的坐标，同时再去计算第二个节点时第一个坐标已经移动了，这样会影响到后面所有节点的计算。

[C#] 纯文本查看复制代码

for (int i = 0; i < xpositions.Length; i++)
{
    if (i > 0) 
    {
        ypositions[i-1] += leftDeltas[i];
    }
    if (i < xpositions.Length - 1) 
    {
        ypositions[i + 1] += rightDeltas[i];
    }
}

到此就获得了所有的高度数据，可以应用到最终效果了。由于最左与最右的节点不会动，所以需要改变坐标是第一个至倒数第二个节点。

这里将所有代码放在一个循环，共运行八次。这样做的目的是希望多次运行但计算量小，而非计算量过大从而导致效果不够流畅。

添加水波飞溅的效果
现在已经实现了水的流动，下面来实现水波飞溅的效果。添加函数Splash()用于检测水波的x坐标及入水物体接触水面时的速度。将该函数设为公有的以供后续的碰撞器调用。

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public void Splash(float xpos, float velocity)

{}

首先需要确定水波飞溅的位置是在水体范围内：

[C#] 纯文本查看复制代码

if (xpos >= xpositions[0] && xpos <= xpositions[xpositions.Length-1])

{}

然后改变水波的x坐标以获取飞溅位置与水体起始位置间的相对坐标：

[C#] 纯文本查看复制代码

expos -= xpositions[0];

然后找到落水物体碰撞的节点。计算方法如下：

[C#] 纯文本查看复制代码

int index = Mathf.RoundToInt((xpositions.Length-1)*(xpos / (xpositions[xpositions.Length-1] - xpositions[0])));

步骤如下：
首先获取飞溅位置与水体左边界的坐标差（xpos）。

然后将该差值除以水体宽度。

这样就得到了飞溅发生位置的分数，例如飞溅发生在水体宽度的3/4处就会返回0.75。

将该分数乘以边数后取整，就得到了离飞溅位置最近的节点索引。

[C#] 纯文本查看复制代码

velocities[index] = velocity;

下面将入水物体的速度赋给该物体所碰撞的节点，这样节点会被物体压入水体。

注意：你可以按自己的需求来更改上面的代码。例如，你可以将节点速度与物体速度相加，或者使用动量除以节点的作用原子数量而非直接使用速度。

下面实现产生水花的粒子系统。将该对象命名为“splash”，别跟Splash()搞混了，后者是一个函数。

首先，我们需要设置飞溅的参数，这个参数是受撞击物体的速度影响的。

[C#] 纯文本查看复制代码

float lifetime = 0.93f + Mathf.Abs(velocity)*0.07f;
splash.GetComponent().startSpeed = 8+2*Mathf.Pow(Mathf.Abs(velocity),0.5f);
splash.GetComponent().startSpeed = 9 + 2 * Mathf.Pow(Mathf.Abs(velocity), 0.5f);
splash.GetComponent().startLifetime = lifetime;

这里已经设置了粒子系统，并设定好生命周期，以免在物体撞击水面后粒子消失过早，并将粒子速度设置为撞击速度的立方（加上一个常数，这样较小力度的飞溅也会有效果）。

上面设置两次startSpeed的原因是，这里使用Shuriken来实现的粒子系统，它设定粒子的起始速度是两个随机常量之间，但我们通过脚本无法操作Shuriken中的更多内容，所以这里设置两次startSpeed。

下面增加的几行代码可能不是必须的：

[C#] 纯文本查看复制代码

Vector3 position = new Vector3(xpositions[index],ypositions[index]-0.35f,5);

Quaternion rotation = Quaternion.LookRotation(new Vector3(xpositions[Mathf.FloorToInt(xpositions.Length / 2)], baseheight + 8, 5) - position);

Shuriken粒子在与物体碰撞后不会立即被摧毁，所以要确保粒子不会显示在物体前方，有两种办法：

1.将它们固定在背景上，例如将其坐标的z值设为5。

2.让粒子系统总是朝向水体中心，这样就不会飞溅到边缘以外。

第二行代码获取坐标中点，稍微上移，并让粒子发射器指向该点。如果你的水体够宽，就不需要进行该设置。如果你的水体是室内游泳池就需要用到该脚本。

[C#] 纯文本查看复制代码

GameObject splish = Instantiate(splash,position,rotation) as GameObject;

Destroy(splish, lifetime+0.3f);

现在添加了飞溅对象，该对象会在粒子被摧毁后一段时间再消失，因为粒子系统发射了大量爆裂的粒子，所以粒子消失所需时间至少是Time.time + lifetime，最后的爆裂的粒子甚至需要更久。

碰撞检测
最后还需对物体进行碰撞检测，之前为所有的碰撞器都添加了WaterDetector脚本，在该脚本中添加下面的函数：

[C#] 纯文本查看复制代码

void OnTriggerEnter2D(Collider2D Hit)

{}

在OnTriggerEnter2D()中实现2D Rigid Body与水体碰撞产生的效果。传入Collider2D类型的参数可获取更多关于碰撞物体的信息。需要该物体带有Rigidbody2D组件：

[C#] 纯文本查看复制代码

if (Hit.rigidbody2D != null)
{
      transform.parent.GetComponent().Splash(transform.position.x, Hit.rigidbody2D.velocity.y*Hit.rigidbody2D.mass / 40f);
    }
}

所有碰撞器都是water manager的子对象。所以直接从碰撞器父节点获取Water组件并调用Splash()函数。如果希望物理效果更精确，可以使用动量而非速度。注意在这里也该为对应的属性即可。如果要获取物体动量，就将其速度乘以mass。如果只用速度，就将代码中的mass删掉。

在Start()函数中调用SpawnWater()：

[C#] 纯文本查看复制代码

void Start()
{
    SpawnWater(-10,20,0,-10);
}

到此就完成了，所有带有rigidbody2D和碰撞器的物体都可以撞击水面并产生水波飞溅的效果，并且水波也会正常流动。

加分练习
在SpawnWater()函数中添加以下代码：

[C#] 纯文本查看复制代码

gameObject.AddComponent();
gameObject.GetComponent().center = new Vector2(Left + Width / 2, (Top + Bottom) / 2);
gameObject.GetComponent().size = new Vector2(Width, Top - Bottom);
gameObject.GetComponent().isTrigger = true;

上面的代码就是为水体添加碰撞器，然后利用本教程学到的知识就可以让物体在水中漂流。

添加OnTriggerStay2D()函数同样带有一个Collider2D类型的参数，用与之前一样的方式检测物体的作用力原子数量，然后为rigidbody2D添加力或速度让物体漂流在水中。

总结
本教程主要教大家使用Unity 2D模拟简单的2D水效果，用到了一点简单的物理知识以及Line Renderer、Mesh Renderer、触发器和粒子。教程不难，但理论知识都是适用的，希望大家发挥自己的想象力将其用到实际项目中。

作者：Alex Rose

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