Разработка шейдеров растительности и ветра для графики

Разработка шейдеров растительности и ветра для графики

Деревья и трава в играх — это не статические меши. Это тысячи instances, каждый из которых должен двигаться убедительно под ветром, корректно принимать освещение через тонкие листья, не создавать z-fighting на полупрозрачных гранях и не убивать производительность на мобильных устройствах. Сделать это правильно — значит решить несколько несвязанных между собой технических проблем одновременно.

Vertex animation для ветра: почему скелетная анимация не подходит

Дерево с тысячей листьев нельзя анимировать через кости — это сотни skinned mesh renderer вызовов. Стандартное решение — vertex shader animation, где перемещение вершины закодировано в самом шейдере и управляется параметрами ветра через Material Property Block или Global Shader Property.

В ShaderGraph (URP/HDRP) алгоритм строится так: Transform Position нода → World Position → добавляем Sine-based offset по двум осям (X и Z) с Time + Phase Offset. Phase Offset — критически важный параметр: он кодируется в вершинный цвет или UV-канал меша (обычно UV2) на этапе подготовки ассета. Без phase offset все ветки дерева движутся синхронно — это выглядит как механическое покачивание, а не органический ветер.

Иерархический ветер — настоящий differentiator качественного vegetation shader'а. Движение разбивается на три уровня:

• Trunk sway (раскачивание ствола) — низкая частота, большая амплитуда, вся геометрия дерева
• Branch flutter (движение ветвей) — средняя частота, меньшая амплитуда, закодирована через R-канал Vertex Color
• Leaf shimmer (трепет листьев) — высокая частота, минимальная амплитуда, G-канал Vertex Color

В шейдере каждый уровень — отдельный Sine с разными frequency и amplitude параметрами. Weight для каждого уровня берётся из vertex color канала. Это означает, что художник должен запечь vertex colors в дереве перед экспортом: у основания ствола R=0 (нет branch flutter), у концов ветвей R=1.

Двусторонняя отрисовка и alpha clipping

Листья — это полигональные карточки (billboard quads или meshcard strips) с alpha texture. Проблемы два типа:

Alpha blending vs Alpha Clipping. Blending правильно сортирует полупрозрачность, но требует правильного depth sorting всех листьев, что невозможно без GPU-side sorting. На практике для vegetation используют Alpha Clipping (Alpha Test): жёсткая граница по порогу, без blending. Это даёт артефакты на краях, но работает корректно с depth buffer и инстансингом. Порог (Cutoff) обычно 0.4–0.6 в зависимости от текстуры.

Двустороннее освещение. Lit шейдер по умолчанию освещает только front face. Для листьев нужен Two Sided материал с Flip Normals на back face — иначе задняя сторона листа будет чёрной при любом освещении. В ShaderGraph это Two Sided checkbox в Graph Settings + Facing нода для применения normal flip.

Subsurface scattering для листьев. Реальные листья просвечиваются на солнце. В URP для vegetation используют Translucency аппроксимацию: берём dot product между Light Direction и View Direction, добавляем его к Albedo через Lerp с translucency color (тёплый зелёный). Это ~4 ноды в ShaderGraph, добавляет +0.1ms к стоимости шейдера, но разница в визуальном качестве очевидна.

Инстансинг и GPU Instancing

Трава и деревья требуют GPU Instancing — иначе каждый куст это отдельный draw call. В Unity для vegetation правильный подход:

• Graphics.DrawMeshInstanced или Graphics.DrawMeshInstancedIndirect для процедурной растительности
• Unity Terrain Detail Mesh — встроенный инстансинг для детализации террейна
• SpeedTree integration (встроен в Unity, но требует лицензию SpeedTree для редактирования)

Шейдер должен поддерживать #pragma instancing_options и использовать UNITY_SETUP_INSTANCE_ID в вершинном шейдере. В ShaderGraph это автоматически, но при написании кастомного HLSL через Custom Function нода нужно явно добавить эти pragma.

Material Property Block позволяет передавать per-instance параметры (phase offset, wind strength multiplier) без создания отдельного Material на каждый instance — это критично для performance при сотнях инстансов с разными параметрами.

Настройка ветра через Global Shader Properties

Ветер в сцене — это глобальный параметр. Правильная архитектура: WindController MonoBehaviour устанавливает Shader.SetGlobalFloat("_WindStrength", strength) и Shader.SetGlobalVector("_WindDirection", dir) каждый кадр (или по событию изменения ветра). Все vegetation шейдеры читают эти глобальные параметры через Global нодой в ShaderGraph (Custom Function: UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP для per-instance или просто float из Global для shared).

Это даёт возможность делать динамические эффекты ветра: усиление при шторме, порыв при взрыве рядом, смена направления через день-ночной цикл — всё через один контроллер без изменения материалов.

Стоимость рассчитывается индивидуально по результатам обсуждения рендер-пайплайна, целевой платформы и стиля графики.