Unity Shader: Shader粒子广告牌

广告牌效果既是不论物体与摄像机的角度，被渲染物体总是正对着摄像机。
此技术广泛利用于粒子效果中，例如Unity内置的Particle System。下文将要介绍如何在Shader中实现广告牌效果。

在视空间对顶点进行重定位

(图1：摄像机绑定在立方体上，立方体进行原地旋转，雪花使用里广告牌渲染，总是正对着摄像机)

此项技术的核心是在视空间（view space）将顶点进行重新定位。

网上有一个简单的例子，https://en.wikibooks.org/wiki/Cg_Programming/Unity/Billboards

...
            output.pos = mul(UNITY_MATRIX_P, 
              				mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0))
              					+ float4(input.vertex.x, input.vertex.y, 0.0, 0.0)
              				* float4(_ScaleX, _ScaleY, 1.0, 1.0));
...

看以上这行代码理解广告牌的两处核心逻辑:

1，先看mul(UNITY_MATRIX_MV, float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0))
float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)代表顶点所属物体在Model空间中的位置，mul MV矩阵后，Model空间转到了视空间。在此阶段x,y轴方向既是屏幕的xy轴。在这次mul运算之后，所有的顶点位置都集中到了被渲染物体的中心点，并等待对它们进行重新定位。由于视空间换行是一个必须过程，相比于在其他空间重定位还需要再寻找摄像机角度，这里操作可以省去一次矩阵乘法运算。

2，再看+ float4(input.vertex.x, input.vertex.y, 0.0, 0.0):
由于vertex.xy是当前顶点相对与模型中心点的，已知中心点位置在2D平面中用vertex.xy就可以对顶点进行定位了，将顶点的位置分别在视空间中向x方向偏移vertex.x,向y方向偏移vertex.y，就相当于以float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0)为中心，在视空间重新归位了顶点位置。而由于视空间的z轴与摄像机是一致的，所以所有重新归位xy坐标的顶点连接起来的图元一定是面向摄像机的。

以上的代码试用于当2D图元的顶点是以自身坐标轴中的xy分布的，例如Unity内置的立方体quad，如果是其他情况，例如plane的顶点是在xz平面分布，那么代码就要改为+ float4(input.vertex.x, input.vertex.z, 0.0, 0.0):

(图2：plane的顶点以xz分布。绿色箭头指向y，兰z，红x)

(图3：quad的顶点分布在xy平面上)

应用到复杂网格

以上Shader代码只适用于渲染单个quad，或plane的mesh。在用同一个Shader渲染复杂网格的情况下，需要用每个基础图元单位的中心点取代上文中的物体中心点‘float(0,0,0,1)’。

(图4：在以两个三角形组成的quad为基本单位的线型网格中实现粒子广告牌，所有的亮点都在quad中心点并正对摄像机)

(图5：在以两个三角形组成的quad为基本单位零散分布在3D空间中，它们都属于同一个mesh)

以图4图5为例，可以在进入渲染管线之前的顶点属性定义阶段(C#脚本)计算好quad的中心点位置，然后赋值给Mesh的任意属性，Shader在顶点着色器通过相应的语义获取。也可以在Shader的几何着色器中进行计算，因为两个三角形是对称的，只要用三个顶点的位置计算斜边中点就可得出quad中心点。不论哪种实现，计算公式为：

v c e n t e r = ( v 0 − v 3 ) / 2 + v 3 v_{center}=(v_0-v_3)/2+v_3 vcenter​=(v0​−v3​)/2+v3​

v 0 v_0 v0​与 v 3 v_3 v3​为quad对角顶点位置， v c e n t e r v_{center} vcenter​为quad中心点位置，具体实现代码就不再赘述。

2020-8-15：review