使用Unity实现动态2D水效果

03月

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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：

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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码GameObject[] colliders;还要定义一些常量：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码public GameObject splash:接下来是用于Line Renderer的材质：
[C#] 纯文本查看复制代码public Material mat:还有用于模拟水体的网格：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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。
[C#] 纯文本查看复制代码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。
[C#] 纯文本查看复制代码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：
[C#] 纯文本查看复制代码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。
[C#] 纯文本查看复制代码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。
[C#] 纯文本查看复制代码meshobjects[i] = Instantiate(watermesh,Vector3.zero,Quaternion.identity) as GameObject; 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：
[C#] 纯文本查看复制代码colliders[i] = new GameObject(); colliders[i].name = Trigger; colliders[i].AddComponent<BoxCollider2D>(); 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<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：
[C#] 纯文本查看复制代码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。
[C#] 纯文本查看复制代码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。

[C#] 纯文本查看复制代码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，你也可以改为值，这样加速度就是：
[C#] 纯文本查看复制代码accelerations[i] = -force/mass;下面实现水浪的传播效果。
[C#] 纯文本查看复制代码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。
[C#] 纯文本查看复制代码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。
[C#] 纯文本查看复制代码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<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：
[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<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()：
[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<BoxCollider2D>(); gameObject.GetComponent<BoxCollider2D>().center = new Vector2(Left + Width / 2, (Top + Bottom) / 2); gameObject.GetComponent<BoxCollider2D>().size = new Vector2(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. ... edtutorials_sidebar

原文作者：Alex Rose

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