【Unity】2Dメタボールの作り方を一から紹介してみる #Unity

ここ最近、Unityの開発にて、2DメタボールっぽいAssetを使ってます。ただ、仕組みはスルーしていました。

使うにつれて2Dメタボールの仕組みが気になったので、色々ググり、実際に作ってみました！(当然ながら、偉大なる先人が残した情報のお陰様でできました)

RenderTextureの使い方を学ぶ良いキッカケにもなり、個人的に学習満足度が高かったです！

ここでは、自分の備忘録もかねて、Unityの2Dメタボールの作り方を紹介します。

追記：2019/6/21
GithubにサンプルコードをUpしました。参考になれば幸いです！
2DMetaball_Shader(サンプル| Github

参考にした記事

2Dメタボールの作り方は色々あるのですが、個人的に下記の記事が最もわかりやすかったです。
神記事：【Unity】簡単に水に近い表現を実現したい (Metaball)

他の2DメタボールのチュートリアルやAssetなどのソースも見たのですが、上記の記事が直感的でシンプル！最高でした。
参考：METABALL TUTORIAL

今回は上記の記事を参考に、実装までの流れと作り方を紹介していきます。

2Dメタボールの式

2Dメタボールの式はこちら。wikiから引用しています。x０，ｙ０はメタボールの中心です。

\sum_{i=0}^{m} \frac{1}{(x-x_0)^2 + (y-y_0)^2} \leq threshold\\

wiki:Metaballs

参考にした記事に、２つのメタボールが存在するときの等高線グラフがありました。こちらの図をみますと、何となくイメージできると思います。

2Dメタボールの実装の流れ

Shaderで2Dメタボールの式を表現(メタボール１個の式)
RenderTextureに描画
ShaderでRenderTextureを完成形にもっていく(各メタボールの和)
Quadで描画！
CullingやLayerの設定して完成！

STEP1：Shaderで2Dメタボールの式を表現

２Dメタボール１個分の式をShaderで表現します。参考にした記事と大きく変わりません。というか殆ど同じです(爆)

MetaballParticle.shader

Shader "Metaball/MetaballParticle" {
Properties
{
    // _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    _Scale ("Scale", Range(0,0.05)) = 0.01
    _Cutoff ("Cutoff", Range(0,05)) = 0.01
}

SubShader
{
    Tags
    {
        "Queue"="Transparent"
        "IgnoreProjector"="True"
        "RenderType"="Transparent"
        "PreviewType"="Plane"
    }

    Cull Off
    Lighting Off
    ZWrite Off
    Blend One OneMinusSrcAlpha

    Pass
    {
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        #pragma multi_compile_fog

        #include "UnityCG.cginc"

        struct appdata_t
        {
            float4 vertex   : POSITION;
            float2 texcoord : TEXCOORD0;
        };

        struct v2f
        {
            float4 vertex   : SV_POSITION;
            float2 texcoord : TEXCOORD0;
        };

        fixed _Scale;
        fixed _Cutoff;

        v2f vert(appdata_t IN)
        {
                v2f OUT;
                OUT.vertex = UnityObjectToClipPos(IN.vertex);
                OUT.texcoord = IN.texcoord;
                // OUT.color = IN.color * _Color;
                return OUT;
        }

        fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {
            fixed2 uv = i.texcoord - 0.5;
            fixed a = 1 / (uv.x * uv.x + uv.y * uv.y);
            a *= _Scale;
            fixed4 color = a;
            clip(color.a - _Cutoff);
            return color;
        }
     ENDCG
     }
}
}

３行でまとめると

メタボールの左辺の式を色colorで出力
メタボールの中央は、uv座標の中心(0,5, 0,5)
clip(a,b)はbをaが下回ると、0になる

そして、CircleのSpriteを作成。

マテリアルをアタッチするとこんな感じになります！

STEP２： RenderTextureに描画

続いて、RenderTextureに描画させます。理由は各々のメタボールの式の和(ここでは色値の和)を計算する際に、必要だからです。

やり方を図で紹介します。

まずProjectのフォルダ内にRenderTextureを作成。

ヒエラルキー内にMainCameraとは別のカメラを用意して、TargetTextureにアタッチします。これで準備OK！

STEP3：3. ShaderでRenderTextureを完成形にもっていく(各メタボールの和)

続いて、RenderTexture内の色情報の和を計算し、閾値を設けます。参考記事のソースを掲載させて頂きます。

MetaballRenderer.shader

Shader "Metaball/MetaballRenderer" {
Properties
{
    _MainTex ("MainTex", 2D) = "white" {}
    _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    _Cutoff ("Cutoff", Range(0,1)) = 0.5
    _Stroke ("Storke", Range(0,1)) = 0.1
    _StrokeColor ("StrokeColor", Color) = (1,1,1,1)
}

SubShader
{
    Tags
    {
        "Queue"="Transparent"
        "IgnoreProjector"="True"
        "RenderType"="Transparent"
        // "PreviewType"="Plane"
    }

    Cull Off//裏も描画する
    // Lighting Off
    ZWrite Off //transparentで使用する部分
    Blend One OneMinusSrcAlpha

    Pass
    {
    CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        #pragma multi_compile_fog

        #include "UnityCG.cginc"

        struct appdata_t
        {
            float4 vertex   : POSITION;
            float4 color    : COLOR;
            float2 texcoord : TEXCOORD0;
        };

        struct v2f
        {
            float4 vertex   : SV_POSITION;
            fixed4 color    : COLOR;
            float2 texcoord : TEXCOORD0;
        };


        sampler2D _MainTex;
        half4 _Color;
        fixed _Cutoff;
        fixed _Stroke;
        half4 _StrokeColor;

        v2f vert(appdata_t IN)
        {
            v2f OUT;
            OUT.vertex = UnityObjectToClipPos(IN.vertex);
            OUT.texcoord = IN.texcoord;
            OUT.color = IN.color * _Color;
            return OUT;
        }

        fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
        {
            fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.texcoord);
            clip(color.a - _Cutoff);
            color = color.a < _Stroke ? _StrokeColor : _Color;
            return color;
        }
    ENDCG
    }
}
}