Unity Shader 动态森林效果的幕后—— 地面球面化弧度

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原创最新推荐文章于 2026-11-01 23:41:50 发布 472 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

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为什么需要球面化？

在开放世界游戏中，地形本质上是一张巨大的平面。但真实的星球表面是弯曲的——当你站在大地上远眺，地平线应当是一条柔和的弧线，而非一条笔直的切缝。

平面地形的远处看起来像一张「无限延伸的纸」，缺乏纵深感与空间包裹感。球面化（World Curvature）正是为此而生：它在 Vertex Shader 中对顶点位置施加一个球面偏移，使远处的地面自然下沉，模拟出星球表面的弧度。

🎮

经典案例：《塞尔达传说：旷野之息》《原神》《巫师3》的远景都使用了类似技术——它们并不真正弯曲整个世界，只是在渲染时给远处的顶点加了一个"下沉"偏移。

核心原理：从平面到球面

球面化的核心思想极其简洁：距离摄像机越远的顶点，越往下（−Y）偏移。这个偏移量随距离的平方增长，恰好近似球面的几何特性。

关键直觉：球面上某点相对于切面的下沉量，与它到切点的弧距平方成正比。这意味着我们不需要真正把地形贴到球上，只需要在 Shader 里根据水平距离计算一个偏移，就能模拟出弧度。

数学推导

假设球体半径为 R，观察者站在球面上某点。水平距离为 d 的位置，其球面下沉量 Δy 可以通过简单的几何关系推导。

设球心为 O，观察者 P 在球面上，Q 为水平距离 d 处的球面点。由几何关系：

Δy = R − R·cos(θ) = R·(1 − cos(d/R))当 d ≪ R 时，泰勒展开 cos(x) ≈ 1 − x²/2：Δy ≈ d² / (2R)这就是我们 Shader 中使用的核心公式

💡

R 的取值：R 越小，弯曲越剧烈。实际项目中 R 通常在 2000–8000 之间。R=3000 时，1000 单位远处的下沉约 167 单位——视觉上刚好产生明显的弧度感而不至于失真。

Vertex Shader 实现

在 URP 中，我们可以通过自定义 Shader 或 Shader Graph 来实现球面化。以下是在 Vertex Shader 中的 HLSL 实现：

4.1 核心函数

// 球面化偏移计算
float3 ApplyWorldCurvature(float3 positionWS, float3 cameraPos, float curvatureRadius)
{
    // 计算顶点到相机的水平距离 (XZ平面)
    float2 offset = positionWS.xz - cameraPos.xz;
    float  distance = length(offset);

    // 球面下沉量: Δy = d² / (2R)
    float dropOffset = (distance * distance) / (2.0 * curvatureRadius);

    // 只在 Y 方向施加偏移
    positionWS.y -= dropOffset;

    return positionWS;
}

4.2 在 URP Lit Shader 中集成

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lit.hlsl"
#include "CurvatureLib.hlsl"

// 在 Attributes 中接收 positionOS
struct Attributes
{
    float4 positionOS : POSITION;
    float3 normalOS   : NORMAL;
    float2 uv          : TEXCOORD0;
};

struct Varyings
{
    float4 positionCS : SV_POSITION;
    float2 uv          : TEXCOORD0;
    float3 normalWS    : TEXCOORD1;
};

Varyings Vert(Attributes input)
{
    Varyings output;

    // 1. Object → World
    float3 positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS.xyz);

    // 2. 应用球面化
    positionWS = ApplyWorldCurvature(
        positionWS,
        _WorldSpaceCameraPos,
        _CurvatureRadius
    );

    // 3. World → Clip
    output.positionCS = TransformWorldToHClip(positionWS);
    output.uv = input.uv;
    output.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);

    return output;
}

4.3 渐进式弯曲

为了在近处保持地形精度、远处才产生弧度，我们可以加入一个距离衰减：

float3 ApplyWorldCurvatureFalloff(
    float3 positionWS,
    float3 cameraPos,
    float  curvatureRadius,
    float  falloffStart,    // 开始弯曲的距离
    float  falloffEnd       // 完全弯曲的距离
) {
    float2 offset = positionWS.xz - cameraPos.xz;
    float  dist = length(offset);

    // 平滑阶梯: 0→1 (falloffStart → falloffEnd)
    float factor = smoothstep(falloffStart, falloffEnd, dist);

    float dropOffset = (dist * dist) / (2.0 * curvatureRadius);
    positionWS.y -= dropOffset * factor;

    return positionWS;
}

Shader Graph 搭建

如果你更偏好可视化编程，URP Shader Graph 同样可以实现。以下是节点连接图：

5.1 Shader Graph 步骤概要

创建 Position 节点（Space: World）和 Camera 节点
各自 Split，提取 X 和 Z 分量
Subtract 得到 XZ 平面的偏移向量，Combine 为 Vector2
Length 计算水平距离 d
Multiply (d × d) 得到 d²
Divide (d² ÷ 2R)，R 来自 Property: _CurvatureRadius
结果 Subtract 到 Position.Y，输出到 Vertex Position

动态森林：植被与风

球面化只是基础。一个有生命力的动态森林还需要：风场摆动、LOD 层级、 impostor 远景树。我们逐一展开。

6.1 风场摆动 Shader

树叶和草在风中的摆动是动态森林的灵魂。核心方法是用 正弦函数 + 顶点颜色蒙版 控制摆动幅度：

// 风场摆动 — 在 Vertex Shader 中调用
float3 ApplyWind(
    float3 positionOS,
    float3 normalOS,
    float4 vertexColor,     // R: 主摆动蒙版, G: 细节摆动蒙版
    float  windStrength,
    float  windSpeed,
    float  windFrequency,
    float  time
) {
    // 主摆动: 整体大波浪
    float mainPhase = dot(positionOS.xz, 0.01) * windFrequency + time * windSpeed;
    float mainWind = sin(mainPhase) * windStrength * vertexColor.r;

    // 细节摆动: 高频微颤
    float detailPhase = dot(positionOS.xz, 0.05) * windFrequency * 3.0 + time * windSpeed * 1.5;
    float detailWind = sin(detailPhase) * windStrength * 0.3 * vertexColor.g;

    // 沿法线方向偏移
    float3 windOffset = normalOS * (mainWind + detailWind);

    return positionOS + windOffset;
}

6.2 完整的植被 Vertex 流程

把球面化和风场组合在一起，完整的植被 Vertex Shader 流程如下：

性能优化策略

策略	说明	适用场景
`smoothstep 衰减`	近处不弯曲，减少不必要的顶点偏移计算	所有项目
`LOD 切换`	远处用低模+Impostor，降低 Draw Call 和顶点数	大规模森林
`GPU Instancing`	相同材质的树/草实例化绘制，减少状态切换	大量重复植被
`SRP Batcher`	URP 内建支持，合并相同 Shader 变体的绘制	URP 项目默认开启
`Compute Shader 风场`	将风场计算从 Vertex Shader 移至 Compute Shader	百万级草体
`Distance Culling`	超出可视距离的植被直接剔除，不进入渲染管线	超远视距

⚡

关键参数：球面化本身的性能开销极小——每个顶点只多了一次距离计算、一次平方、一次除法。真正的性能瓶颈在植被数量，而非球面化本身。优先优化 LOD 和 Instancing。

完整代码

以下是一个可直接用于 URP 的完整 Shader，集成了球面化、风场和标准光照：

Shader "Custom/CurvedForestLit"
{
    Properties
    {
        // 基础光照
        _BaseMap("Base Map", 2D) = "white" {}
        _BaseColor("Base Color", Color) = (1,1,1,1)

        // 球面化
        _CurvatureRadius("Curvature Radius", Float) = 3000
        _FalloffStart("Falloff Start", Float) = 50
        _FalloffEnd("Falloff End", Float) = 300

        // 风场
        _WindStrength("Wind Strength", Float) = 0.3
        _WindSpeed("Wind Speed", Float) = 1.0
        _WindFrequency("Wind Frequency", Float) = 1.0
    }

    SubShader
    {
        Tags {
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
            "RenderType" = "Opaque"
            "Queue" = "Geometry"
        }

        HLSLINCLUDE
        #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

        CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
            float4 _BaseMap_ST;
            half4  _BaseColor;
            float  _CurvatureRadius;
            float  _FalloffStart;
            float  _FalloffEnd;
            float  _WindStrength;
            float  _WindSpeed;
            float  _WindFrequency;
        CBUFFER_END
        ENDHLSL

        Pass
        {
            Name "ForwardLit"
            Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag
            #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS
            #pragma multi_compile _ _SHADOWS_SOFT

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float3 normalOS   : NORMAL;
                float4 tangentOS  : TANGENT;
                float2 uv          : TEXCOORD0;
                float4 color       : COLOR;  // 顶点色: R=主摆动 G=细节摆动
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS   : SV_POSITION;
                float2 uv            : TEXCOORD0;
                float3 normalWS      : TEXCOORD1;
                float3 positionWS    : TEXCOORD2;
            };

            // ── 风场 ──
            float3 ApplyWind(float3 posOS, float3 nrmOS, float4 vColor)
            {
                float t = _Time.y;
                float mainP = dot(posOS.xz, 0.01) * _WindFrequency + t * _WindSpeed;
                float mainW = sin(mainP) * _WindStrength * vColor.r;

                float detailP = dot(posOS.xz, 0.05) * _WindFrequency * 3.0 + t * _WindSpeed * 1.5;
                float detailW = sin(detailP) * _WindStrength * 0.3 * vColor.g;

                return posOS + nrmOS * (mainW + detailW);
            }

            // ── 球面化 ──
            float3 ApplyCurvature(float3 posWS)
            {
                float2 off = posWS.xz - _WorldSpaceCameraPos.xz;
                float  d = length(off);
                float  factor = smoothstep(_FalloffStart, _FalloffEnd, d);
                float  drop = (d * d) / (2.0 * _CurvatureRadius);
                posWS.y -= drop * factor;
                return posWS;
            }

            Varyings Vert(Attributes input)
            {
                Varyings o;

                // Step 1: 风场摆动 (Object Space)
                float3 posOS = ApplyWind(input.positionOS.xyz, input.normalOS, input.color);

                // Step 2: Object → World
                float3 posWS = TransformObjectToWorld(posOS);

                // Step 3: 球面化偏移
                posWS = ApplyCurvature(posWS);

                // Step 4: 输出
                o.positionCS  = TransformWorldToHClip(posWS);
                o.positionWS  = posWS;
                o.uv          = TRANSFORM_TEX(input.uv, _BaseMap);
                o.normalWS    = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);
                return o;
            }

            half4 Frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                half4 albedo = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.uv) * _BaseColor;
                half3 ambient = GlossyEnvironmentReflection(input.normalWS, 0, 1.0);

                Light mainLight = GetMainLight();
                half3 diffuse = mainLight.color * saturate(dot(input.normalWS, mainLight.direction));

                half3 color = albedo.rgb * (ambient + diffuse);
                return half4(color, albedo.a);
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

总结

球面化弧度效果看似只改了一个 Y 偏移，但它给玩家带来的空间感提升是立竿见影的。配合风场摆动与 LOD 体系，一个看似简单的公式 Δy ≈ d²/2R 就能撑起整个动态森林的氛围基础。

核心要记住的：

球面化在 World Space 施加，先转世界坐标再偏移
用 smoothstep 做近处零弯曲的衰减，避免脚下地面"融化"
风场在 Object Space 施加，先风场再转世界坐标
顶点色蒙版让美术精确控制哪些部位摆动、摆多少
性能瓶颈在植被数量，不在球面化——优先优化 LOD 和 Instancing

附录：参数速查

参数	类型	推荐值	说明
`_CurvatureRadius`	Float	2000 ~ 8000	球面半径，越小弯曲越强
`_FalloffStart`	Float	30 ~ 80	开始弯曲的水平距离
`_FalloffEnd`	Float	200 ~ 500	完全弯曲的水平距离
`_WindStrength`	Float	0.1 ~ 0.5	风场强度，过大则植被"飘"
`_WindSpeed`	Float	0.5 ~ 2.0	风场速度
`_WindFrequency`	Float	0.5 ~ 2.0	空间频率，影响波纹密度