← Zpět na přehled MVT
MVT • Moderní vizualizační technologie

UNITY 3D

Petr Pauš

Úvod

Co je Unity 3D

Unity je multi-platformní herní engine vyvinutý společností Unity Technologies (2005). Dnes se používá daleko za hranicemi her: pro vizualizaci dat, simulace, výuku, architekturu, film a VR/AR.

Editor

  • Vizuální WYSIWYG prostředí
  • Scéna, hierarchie, inspector
  • Windows, macOS, Linux

Engine

  • Renderovací pipeline
  • Fyzika (NVIDIA PhysX)
  • Zvuk, animace, UI

Skriptování

  • C# (.NET / Mono)
  • Velká komunita a dokumentace
  • Asset Store s hotovými řešeními
Základní pojmy

Scéna (Scene)

  • Hry (projekty) jsou rozděleny na scény.
  • Struktura pro hierarchický popis scény.
  • Obsahuje GameObjecty.
  • Scén může být více.
  • Lze je přepínat pomocí skriptu.

Typické dělení scén

  • Menu / úvodní obrazovka
  • Vlastní obsah: hlavní scéna
  • Načítáním (loading) mezi scénami
  • Oddělené úrovně nebo sekce
Pozor: samostatná scéna je vhodná i pro optimalizaci výkonu: méně objektů v jedné scéně = rychlejší běh.
Přepínání scén 
using UnityEngine.SceneManagement;
// ... načtení scény podle názvu
SceneManager.LoadScene("Vizualizace");
Základní pojmy

GameObject

Základní prvek ve scéně. Sám o sobě „nic neumí“: veškerou funkcionalitu dostává až komponentami.

Příklady

  • Viditelné objekty ve scéně (2D, 3D)
  • Kamera
  • Světlo
  • Částicové systémy (particle systems)
  • Zvuk
  • Skybox

Vlastnosti

  • Vždy má komponentu Transform (pozice, rotace, měřítko)
  • Lze přidávat neomezeně komponent
  • Má jméno, tag a layer
  • Může být aktivní / neaktivní
  • Může mít potomky (parent–child hierarchie)
Hierarchie je klíčová: transformace rodiče se propaguje na všechny potomky: typicky se takto skládají různé objekty v hierarchii.
Základní pojmy

Komponenty (Components): Entity Component System (ECS)

Přidávají další vlastnosti pro GameObject. Skládáním jednoduchých komponent vzniká složité chování.

Vzhled

  • Mesh: popis tvaru objektu
  • Mesh Renderer: zobrazování objektu ve scéně
  • Material: zobrazovací vlastnosti
  • textura, odlesky, stínování, shadery, normálové mapy

Fyzika

  • Collider: detekuje kolize objektů
  • RigidBody: tuhé těleso, fyzikální vlastnosti tělesa
  • Physics Material: fyzikální vlastnosti materiálu
  • pružnost, tření, disipace energie při srážce…

Chování

  • Script v C#
  • Animator: animace
  • Audio Source: zvuk
  • Camera / Light
  • Spousta dalších…
Filozofie Unity: žádná hluboká dědičnost tříd, ale kompozice: GameObject je „kontejner“ a komponenty jsou zásuvné moduly.
Základní pojmy

Assets

Veškerá binární a textová data potřebná pro projekt.

Co patří mezi assety

  • Bitmapové textury
  • 3D modely
  • Zvuky, Video
  • Skripty
  • Fonty
  • Animace

V projektu

  • Ve složce Assets
  • Složka je zrcadlena do Unity
  • Unity vytváří .meta soubory s importními nastaveními
  • Ty je nutné verzovat spolu s projektem
Pozor na verzování : složky Library/, Temp/ a obj/ se nikdy necommitují (jsou to přegenerované cache). Verzuje se Assets/, ProjectSettings/ a Packages/.
Základní pojmy

Prefabs

Předpřipravené šablony prvků ve scéně.

  • Prefab může být jeden nebo více GameObjectů v nějaké hierarchii
  • Mají již nastavené společné vlastnosti:
    • komponenty
    • skripty
    • textury…
  • Můžeme vytvořit novou instanci v editoru nebo pomocí skriptu
  • Lze následně měnit vlastnosti pro novou instanci nebo hromadně pro všechny

Proč prefaby

  • Znovupoužitelnost: jedna definice, mnoho výskytů
  • Konzistence: změna v prefabu se promítne všude
  • Výkon: instance sdílejí mesh a materiály
  • Základ pro generování scény ze skriptu
Varianty: prefab variant umožňuje odvodit upravenou verzi (např. jiná barva) bez duplikace celé definice.
Základní pojmy

Balíčky (Packages)

  • Projekty v Unity lze rozdělit na samostatné balíčky.
  • Balíčky poskytují nějakou funkcionalitu.
  • Unity 3D samo přidá do projektu základní balíčky:
    • UI, práce s textem, testovací funkce…
    • render pipeline, input system, atd.
  • Z Asset storu lze přidat další:
    • podpora VR
    • hotové funkce pro hry (FPS, 3rd person)
    • modelování terénu
    • 3D text, atd.
Rizika balíčků
  • Mohou být problémy s kompatibilitou balíčků s Unity (verze editoru vs. verze balíčku).
  • Problémy se závislostmi: „dependency hell“.
Manifest
Seznam balíčků se drží v Packages/manifest.json: je to textový soubor, takže je přehledně verzovatelný v gitu.
Editor

Hlavní okno editoru

Hlavní okno Unity editoru s popisky
Inspector: vlastnosti vybraného objektu a jeho komponent. Kontextové menu objektů: přidávání komponent, duplikace, vytvoření prefabu.

Hierarchy

Hierarchie objektů ve scéně: stromová struktura rodičů a potomků.

Project

Složka assetů: stejná jako na disku. Odtud se vše importuje.

Scene & Game

Okno scény (editace) vs. Game (pohled kamery za běhu).

Editor

Důležité komponenty

Menu > Components

Rigid body

  • Stará se o fyziku spojenou s objektem
  • Is Kinematic předá fyziku skriptu
Rigidbody komponenta

Physics Material

  • Fyzikální vlastnosti povrchu
  • tření, pružnost (bounciness)
Physics Material

Collider

  • Pro detekci kolizí
  • Definuje „obal“ tělesa
Collider
Editor

Komponenta Script

  • Pro nás velmi důležitá
  • Kód v C#
  • Lze psát v jakémkoliv editoru
  • Ale skvělá podpora MS Visual Studio (Mac, Win)
  • Lze definovat vlastní atributy viditelné v editoru Unity
Komponenta Script v inspectoru

Zveřejnění hodnot v Inspectoru

using UnityEngine;

public class Rotator : MonoBehaviour
{
    // Veřejné pole = editovatelné v Inspectoru
    [Tooltip("Rychlost rotace ve stupních za sekundu")]
    public float speed = 30f;

    [Range(0f, 1f)]
    public float intensity = 0.5f;

    // Skryté, ale serializované
    [SerializeField] private Color tint = Color.white;
}
[SerializeField]: zpřístupní i privátní pole.
[Range]: posuvník.
[Tooltip]: nápověda.
Skriptování

Životní cyklus MonoBehaviour 1/2

Důležité metody

  • Start();
    • Volá se před prvním updatem objektu
    • Vhodné pro prvotní nastavení objektu
  • Update();
    • Volá se každý frame
    • Vhodné pro zpracování vstupu uživatele a všeho, co je závislé na čase
    • Při použití nového systému vstupu se to dělá přes Listenery a callbacky
Diagram životního cyklu MonoBehaviour
Pozor: pořadí Awake mezi objekty není garantované. Pokud potřebujete vazby mezi objekty, řešte je v Start(), nikoliv v Awake().
Skriptování

Životní cyklus MonoBehaviour 2/2

Awake();

  • Volá se jen jednou pro každý skript
  • Vhodné pro nastavení vazeb mezi objekty při startu aplikace
  • Příklad: target = GameObject.FindWithTag("Player");

FixedUpdate();

  • Volá se pokaždé při výpočtu fyziky ve scéně
  • Neodpovídá framerate (default 50× / sec)
  • Vhodné pro aktualizaci fyziky ve scéně
  • Např. přidání hybné síly k objektu
Další hojně používané
  • LateUpdate(): po všech Update; ideální pro kameru
  • OnEnable() / OnDisable(): aktivace objektu
  • OnDestroy(): úklid před zničením
Proč FixedUpdate
Fyzika musí běžet v pevném časovém kroku, aby byla simulace deterministická a nezávislá na výkonu počítače. Když je frame dlouhý, Unity zavolá FixedUpdate vícekrát za sebou.
Matematika

Vektory: Vector2, Vector3

  • Vector2: vektor v $\mathbb{R}^2$
  • Vector3: vektor v $\mathbb{R}^3$
  • Příklad: Vector2 v = new Vector2(1, 2.5);
  • Podporovány základní vektorové operace
Dokumentace: Vector2 Vector3

Užitečné operace

Vector3 a = new Vector3(1, 0, 0);
Vector3 b = new Vector3(0, 0, 2);

float d  = Vector3.Distance(a, b);  // vzdálenost
float dp = Vector3.Dot(a, b);       // skalární součin
Vector3 c = Vector3.Cross(a, b);    // vektorový součin

a.Normalize();                      // jednotkový vektor
Vector3.Lerp(a, b, 0.5f);           // interpolace

// Statické konstanty
Vector3.up; Vector3.forward; Vector3.zero;
Použití při vizualizaci: vektory nesou směr i velikost: přesně to, co potřebujeme pro vektorová pole, rychlostní pole nebo normály povrchů.
Matematika

Rotace: Quaternion

Objekt pro popis rotace objektu. Reprezentuje rotaci čtyřmi čísly $(x, y, z, w)$: je kompaktní.

Eulerovy úhly

  • Jednotlivé rotace kolem os $x, y, z$
  • Příklad: 30 stupňů kolem osy Y:
    Quaternion rotace = Quaternion.Euler(0, 30, 0);
  • Quaternion.eulerAngles: vrátí rotace kolem os
  • Rotace ve směru pohledu: Quaternion LookRotation(Vector3 forward, Vector3 upwards = Vector3.up);

Časté operace

// Plynulá rotace k cíli
Quaternion target = Quaternion.LookRotation(dir);
transform.rotation = Quaternion.Slerp(
    transform.rotation, target, Time.deltaTime * 5f);

// Skládání rotací
transform.rotation = parent.rotation * localRot;

// Lokální rotace
transform.Rotate(Vector3.up, 30f * Time.deltaTime);
Tip: v Inspectoru se zobrazují Eulery, ale interně se vždy počítá s quaterniony.
Fyzika

Kolize (Colliders)

Různé typy colliderů: BoxCollider, SphereCollider, CapsuleCollider, MeshCollider.

  • Detekují kolize a ovlivňují fyzikální chování (odrazy, tření, pružnost), pokud mají komponentu Rigidbody.
  • IsTrigger: při kolizi zavolá kolizní funkci OnTriggerEnter (nedojde k fyzické odezvě).
Nastavení collideru Detekce kolizí v praxi
Kolizní funkce 
// Kolize objektů s Rigidbody
void OnCollisionEnter(Collision c) { }
void OnTriggerEnter(Collider other) { }

// Kontaktní body a síly:
Vector3 p = c.GetContact(0).point;
Matice kolizí: Unity počítá kolize podle Layer Collision Matrix. Vypnutím zbytečných kombinací výrazně ušetříte výpočetní čas: u rozsáhlých vizualizací je to nutnost.
Data

Import assetů

Způsoby importu

  • Kompatibilní formáty lze přidat rovnou
  • Pomocí menu Assets > Import
  • Pomocí Drag&Drop do okna assetů
  • Přímé kopírování do složky Assets v projektu

Podporované formáty

  • Obrázky: jpg, png, tiff, …
  • 3D modely
    • základní: OBJ, FBX
    • proprietární: Maya, Blender, 3DSMax, SketchUp
  • Fonty
  • Zvuk, video, animace

Užitečné formáty pro data

  • PLY point cloud
  • OBJ mesh
  • FBX animace
  • Vlastní formáty: načtení přes C# (JSON, binárka)
Velká data se obvykle nenačítají jako asset, ale generují se skriptem za běhu.
Data

Asset store

  • Další možnost přidání assetů a balíčků
  • Placené i free assety
    • skripty, textury, modely, balíčky
  • Budeme využívat např. pro instalaci:
    • Player controller
    • Text
    • Unity XR
  • Vše lze přidat i bez storu manuálně.
  • Lze tam své assety i publikovat.
Než něco koupíte
  • Zkontrolujte datum poslední aktualizace: opuštěné balíčky často nefungují s novým Unity.
  • Sledujte kompatibilitu s používanou verzí Unity a render pipeline (Built-in vs. URP vs. HDRP).
  • U vizualizace se často vyplatí vlastní řešení: máte plnou kontrolu nad výkonem.
Build

Build projektu

  • File > Build settings
  • Výběr cílové platformy
  • Použijeme PC
  • Pro iOS, PS4, XBOX je třeba mít příslušné SDK
  • Build je oproti UE rychlý
Platformy
Windows macOS Linux WebGL Android iOS VR (OpenXR)
Build Settings dialog
Poznámka k WebGL: pro vizualizaci na webu je WebGL nejjednodušší cesta, ale má omezení paměti a výkonu: velké datasety se do prohlížeče nevejdou.
Unity pro VR

Unity 3D – OpenXR: Action-based systém

Trochu složitější na nastavení, ale přenositelné mezi zařízeními.

XR Origin

  • Základní kamera a vstup rukou
  • Nutné přidat skript Input Actions

Teleporting a pohyb

  • Přímá podpora teleportace
  • Teleport Point, Teleport Area
  • Možnost plynulého pohybu pomocí joysticku na ovladači

Interakce s objekty

  • GrabInteractable
  • Objekty lze chytat na dálku a následně s nimi manipulovat
Unity pro VR

Unity 3D – OpenXR: Action-based systém

Trochu složitější na nastavení, ale přenositelné mezi zařízeními.

Příklad definice akce ve skriptu 
using UnityEngine.InputSystem;

public class GrabAction : MonoBehaviour
{
    [SerializeField] private InputActionProperty grabAction;

    void OnEnable()  { grabAction.action.Enable();  }
    void OnDisable() { grabAction.action.Disable(); }

    void Update()
    {
        // Hodnota 0..1 podle stisku spouště
        float value = grabAction.action.ReadValue<float>();
    }
}
Ukázka

Ukázka v Unity

1. Tvorba jednoduché scény

  • Nová scéna
  • Přidání objektů
  • Světlo a kamera

2. Použití komponent

  • Mesh + Material
  • Rigidbody + Collider
  • Inspector a ladění

3. Jednoduchý skript

  • Rotace / pohyb objektu
  • Reakce na vstup
4. XR-Rig
Přidání XR Origin do scény a nastavení vstupů.
5. Interakce
Chytání objektů, teleportace, ověření na headsetu.
Shrnutí

Kdy použít Unity pro vizualizaci

Výhody

  • Rychlý prototyp: vizuální editor, hotové komponenty
  • VR/AR „out of the box“: OpenXR, XR Interaction Toolkit
  • Multiplatformní build: PC, web, mobil, headset
  • Velká komunita a dokumentace
  • Škáluje od malé ukázky po rozsáhlý projekt

Nevýhody / rizika

  • Omezení na běžná data: miliony bodů je nutné optimalizovat
  • Závislost na balíčcích: kompatibilita napříč verzemi
  • Pro vědeckou vizualizaci chybí algoritmy (srov. ParaView)
  • Licence u větších projektů
  • Nutnost vlastního načítání dat v C#
Pravidlo palce: Unity se hodí tam, kde je potřeba interaktivní, imerzivní zážitek: VR prohlídky, interaktivní modely, výuku. Na analytickou vizualizaci velkých dat zůstává ParaView / VisIt / vlastní OpenGL.
Shrnutí

Klíčové pojmy: rekapitulace

Pojem Co to je K čemu slouží
Scene Hierarchický popis světa Oddělení úrovní, menu, obsahu
GameObject Základní prvek ve scéně Kontejner pro komponenty
Component Modul přidávající vlastnost Vzhled, fyzika, chování
Asset Binární / textová data Textury, modely, zvuk, skripty
Prefab Šablona GameObjectu Znovupoužitelnost, konzistence
Package Balíček funkcionality UI, VR, terén, nástroje
Rigidbody Tuhé těleso Fyzika objektu
Collider Obal tělesa pro kolize Detekce kolizí a triggerů
Quaternion Reprezentace rotace Rotace bez Gimbal lock