使用Unity实现动态2D水效果

http://forum.china.unity3d.com/thread-16044-1-1.html

在这片教程里面我们将会用简单的物理效果来模拟动态的2D水效果。我们将会使用Line Renderer，Mesh Renderer，触发器（Trigger）和粒子来创造这个水效果。最终的的效果将会包含波浪和水花溅起的特效，你可以直接加入自己的游戏中。你可以在文章的结尾下载此工程。当然，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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constfloat springconstant = 0.02f; constfloat damping = 0.04f; constfloat spread = 0.05f; constfloat 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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floatbaseheight; floatleft; floatbottom;

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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publicGameObject splash:

接下来是用于Line Renderer的材质：

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publicMaterial mat:

还有用于模拟水体的网格：

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publicGameObject 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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publicvoid SpawnWater(floatLeft, floatWidth, floatTop, floatBottom) {}

创建节点

下面决定总共需要的节点数量：

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intedgecount = Mathf.RoundToInt(Width) * 5; intnodecount = 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<LineRenderer>(); 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 = newfloat[nodecount]; ypositions = newfloat[nodecount]; velocities = newfloat[nodecount]; accelerations = newfloat[nodecount];    meshobjects = newGameObject[edgecount]; meshes = newMesh[edgecount]; colliders = newGameObject[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(inti = 0; i < nodecount; i++) {     ypositions[i] = Top;     xpositions[i] = Left + Width * i / edgecount;     accelerations[i] = 0;     velocities[i] = 0;     Body.SetPosition(i,newVector3(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(inti = 0; i < edgecount; i++) {     meshes[i] = newMesh(); }

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 = newVector3[4]; Vertices[0] = newVector3(xpositions[i], ypositions[i], z); Vertices[1] = newVector3(xpositions[i + 1], ypositions[i + 1], z); Vertices[2] = newVector3(xpositions[i], bottom, z); Vertices[3] = newVector3(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 = newVector2[4]; UVs[0] = newVector2(0, 1); UVs[1] = newVector2(1, 1); UVs[2] = newVector2(0, 0); UVs[3] = newVector2(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 = newint[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) asGameObject; meshobjects[i].GetComponent<MeshFilter>().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] = newGameObject(); colliders[i].name = "Trigger"; colliders[i].AddComponent<BoxCollider2D>(); colliders[i].transform.parent = transform; colliders[i].transform.position = newVector3(Left + Width * (i + 0.5f) / edgecount, Top - 0.5f, 0); colliders[i].transform.localScale = newVector3(Width / edgecount, 1, 1); colliders[i].GetComponent<BoxCollider2D>().isTrigger = true; colliders[i].AddComponent<WaterDetector>();

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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voidUpdateMeshes()     {         for(inti = 0; i < meshes.Length; i++)         {                Vector3[] Vertices = newVector3[4];             Vertices[0] = newVector3(xpositions[i], ypositions[i], z);             Vertices[1] = newVector3(xpositions[i+1], ypositions[i+1], z);             Vertices[2] = newVector3(xpositions[i], bottom, z);             Vertices[3] = newVector3(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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voidFixedUpdate() {}

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(inti = 0; i < xpositions.Length ; i++)         {             floatforce = springconstant * (ypositions[i] - baseheight) + velocities[i]*damping ;             accelerations[i] = -force;             ypositions[i] += velocities[i];             velocities[i] += accelerations[i];             Body.SetPosition(i,newVector3(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 = newfloat[xpositions.Length]; float[] rightDeltas = newfloat[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(intj = 0; j < 8; j++) {     for(inti = 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。

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for(inti = 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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publicvoid Splash(floatxpos, floatvelocity) {}

首先需要确定水波飞溅的位置是在水体范围内：

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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：

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expos -= xpositions[0];

然后找到落水物体碰撞的节点。计算方法如下：

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intindex = 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。

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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。

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floatlifetime = 0.93f + Mathf.Abs(velocity)*0.07f; splash.GetComponent<ParticleSystem>().startSpeed = 8+2*Mathf.Pow(Mathf.Abs(velocity),0.5f); splash.GetComponent<ParticleSystem>().startSpeed = 9 + 2 * Mathf.Pow(Mathf.Abs(velocity), 0.5f); splash.GetComponent<ParticleSystem>().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：

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Vector3 position = newVector3(xpositions[index],ypositions[index]-0.35f,5); Quaternion rotation = Quaternion.LookRotation(newVector3(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。

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GameObject splish = Instantiate(splash,position,rotation) asGameObject; 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：

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voidOnTriggerEnter2D(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：

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if(Hit.rigidbody2D != null) {       transform.parent.GetComponent<Water>().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()：

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voidStart() {     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：

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gameObject.AddComponent<BoxCollider2D>(); gameObject.GetComponent<BoxCollider2D>().center = newVector2(Left + Width / 2, (Top + Bottom) / 2); gameObject.GetComponent<BoxCollider2D>().size = newVector2(Width, Top - Bottom); gameObject.GetComponent<BoxCollider2D>().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。



原文链接：http://gamedevelopment.tutsplus.
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原文作者：Alex Rose

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