Unity中URP实现水体（水的焦散）

文章目录

• 前言
• 一、原理
• • [1、 通过深度图，得到 对应像素 在 世界空间下的Z值](#1、 通过深度图，得到 对应像素 在 世界空间下的Z值)
  • [2、得到模型顶点在 观察空间 下的坐标](#2、得到模型顶点在 观察空间 下的坐标)
  • [3、由以上两点得到 深度图像素 对应的 xyz 值](#3、由以上两点得到 深度图像素 对应的 xyz 值)
  • [4、最后，转化到 模型本地空间下，用其对焦散纹理采样](#4、最后，转化到 模型本地空间下，用其对焦散纹理采样)
• 二、实现
• • 1、获取深度图
  • [2、在顶点着色器中，转化 得到顶点在 观察空间下的坐标值](#2、在顶点着色器中，转化 得到顶点在 观察空间下的坐标值)
  • [3、使用公式计算得到，深度图 z 对应的 xy 值](#3、使用公式计算得到，深度图 z 对应的 xy 值)
  • 4、转化到模型的本地空间下
  • 5、对定义和申明焦散纹理，并对其纹理采样
  • 6、与之前文章的结果相加输出得出最终效果
• 三、最终代码

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前言

在上篇文章中，我们实现了水面的反射。

• Unity中URP下实现水体（水面反射）

在这篇文章中，我们来实现一下水的焦散效果。

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一、原理

和深度贴花使用的方法是一致的。

• Unity中URP下实现深度贴花

主要步骤：

1、 通过深度图，得到 对应像素 在 世界空间下的Z值

2、得到模型顶点在 观察空间 下的坐标

3、由以上两点得到 深度图像素 对应的 xyz 值

4、最后，转化到 模型本地空间下，用其对焦散纹理采样

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二、实现

1、获取深度图

（因为要考虑之前的水下扭曲效果，需要把深度图扭曲一下）

• 获取 屏幕空间下的UV坐标

float2 screenUV = i.positionCS.xy / _ScreenParams.xy;

• 使用_Distort控制得到线性插值在 screenUV 和 normalTex之间的扭曲UV
  （在之前的文章中，有完整过程）

float2 distortUV = lerp(screenUV,normalTex.xy,_Distort);

• 使用该UV采样得到，水下扭曲后的深度纹理

half4 depthDistortTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture,sampler_CameraDepthTexture,distortUV);

• 使深度图 转化到 观察空间下

half depthDistortScene = LinearEyeDepth(depthDistortTex.x,_ZBufferParams);

2、在顶点着色器中，转化 得到顶点在 观察空间下的坐标值

o.positionWS = TransformObjectToWorld(v.positionOS);

o.positionVS = TransformWorldToView(o.positionWS);

3、使用公式计算得到，深度图 z 对应的 xy 值

公式在贴花的那篇文章有推导

• W x = P x W z − P z W_x = \frac{P_xW_z}{-P_z} Wx=−PzPxWz
• W y = P y W z − P z W_y = \frac{P_yW_z}{-P_z} Wy=−PzPyWz

float4 depthVS = 1;

depthVS.xy = i.positionVS.xy * depthDistortScene / -i.positionVS.z;

depthVS.z = depthDistortScene;

4、转化到模型的本地空间下

float4 depthWS = mul(unity_CameraToWorld,depthVS);

float4 depthOS = mul(unity_WorldToObject,depthWS);

5、对定义和申明焦散纹理，并对其纹理采样

• 使用该本地空间坐标，计算得出两组方向不同的流动uv值

float2 uv1 = depthOS.xz * _CausticsTex_ST.xy + depthWS.y *0.1+ _Time.y * _WaterSpeed;

float2 uv2 = depthOS.xz * _CausticsTex_ST.xy + depthWS.y *0.1+ _Time.y * _WaterSpeed * float2(-1.1,1.3);

• 使用这两组 uv 分别进行 焦散纹理 的 纹理采样。

half4 causticsTex1 = SAMPLE_TEXTURE2D(_CausticsTex,sampler_CausticsTex,uv1);

half4 causticsTex2 = SAMPLE_TEXTURE2D(_CausticsTex,sampler_CausticsTex,uv2);

• 使用 min 函数制造随机混乱的效果

half4 causticsTex = min(causticsTex1,causticsTex2);

6、与之前文章的结果相加输出得出最终效果

half4 col = (foamColor + waterColor) * opaqueTex + (specular * reflection) + causticsTex;

---

三、最终代码

//水的深度
Shader "MyShader/URP/P4_8"
{
    Properties 
    {
        [Header(Base)]
        _WaterColor1("WaterColor1",Color) = (1,1,1,1)
        _WaterColor2("WaterColor2",Color) = (1,1,1,1)
        
        [PowerSlider(3)]_WaterSpeed("WaterSpeed",Range(0,1)) = 0.1
        
        [Header(Foam)]
        _FoamTex("FoamTex",2D) = "white"{} 
        _FoamColor("FoamColor",Color) = (1,1,1,1)
        _FoamRange("FoamRange",Range(0,5)) = 1
        _FoamNoise("FoamNoise",Range(0,3)) = 1
        
        [Header(Distort)]
        _NormalTex("NormalTex",2D) = "white"{}
        [PowerSlider(3)]_Distort("Distort",Range(0,0.3)) = 0
        
        [Header(Specular)]
        _SpecularColor("Specular Color",Color) = (1,1,1,1)
        [PowerSlider(3)]_SpecularIntensity("Specular Intensity",Range(0,1)) = 0.6
        _Smoothness("Smoothness",Range(0,10)) = 10
        
        [Header(Reflection)]
        _ReflectionTex("ReflectionTex",Cube) = "white"{}
        [PowerSlider(3)]_NormalIntensity("NormalIntensity",Range(0,1)) = 0.5
        
        [Header(Caustics)]
        _CausticsTex("CausticsTex",2D) = "white"{}
        
    }
    
    SubShader
    {
        Tags
        {
            //告诉引擎，该Shader只用于 URP 渲染管线
            "RenderPipeline"="UniversalPipeline"
            //渲染类型
            "RenderType"="Transparent"
            //渲染队列
            "Queue"="Transparent"
        }
        //Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
        ZWrite Off
        Pass
        {
          
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // Pragmas
            #pragma target 2.0
            
            // Includes
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Color.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Input.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

            CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
            half4 _WaterColor1;
            half4 _WaterColor2;
            
            half _WaterSpeed;
            
            half4 _FoamColor;
            half _FoamRange;
            half _FoamNoise;
            half4 _FoamTex_ST;

            half _Distort;
            half4 _NormalTex_ST;

            half4 _SpecularColor;
            half _SpecularIntensity;
            half _Smoothness;

            half _NormalIntensity;

            half4 _CausticsTex_ST;
            CBUFFER_END

            
            TEXTURE2D(_CameraDepthTexture);SAMPLER(sampler_CameraDepthTexture);
            TEXTURE2D(_FoamTex);SAMPLER(sampler_FoamTex);
            TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture);SAMPLER(sampler_CameraOpaqueTexture);
            TEXTURE2D(_NormalTex);SAMPLER(sampler_NormalTex);
            TEXTURECUBE(_ReflectionTex);SAMPLER(sampler_ReflectionTex);
            TEXTURE2D(_CausticsTex);SAMPLER(sampler_CausticsTex);
            //struct appdata
            //顶点着色器的输入
            struct Attributes
            {
                float3 positionOS : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                half3 normalOS : NORMAL;
            };
            //struct v2f
            //片元着色器的输入
            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;//foamUV
                float4 screenPos : TEXCOORD1;
                float3 positionVS : TEXCOORD2;
                float3 positionWS : TEXCOORD3;
                float3 normalWS : TEXCOORD4;
                float4 normalUV : TEXCOORD5;
            };
            //v2f vert(Attributes v)
            //顶点着色器
            Varyings vert(Attributes v)
            {
                Varyings o = (Varyings)0;
                o.positionWS = TransformObjectToWorld(v.positionOS);
                o.positionVS = TransformWorldToView(o.positionWS);
                o.positionCS = TransformWViewToHClip(o.positionVS);
                
                o.screenPos = ComputeScreenPos(o.positionCS);
                //计算得到泡沫纹理采样需要的顶点世界空间下的坐标值的流动效果
                o.uv += o.positionWS.xz *_FoamTex_ST.xy + _Time.y * _WaterSpeed;
                //计算得到水下扭曲纹理的流动UV
                o.normalUV.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv,_NormalTex) + _Time.y * _WaterSpeed;
                o.normalUV.zw = TRANSFORM_TEX(v.uv,_NormalTex) + _Time.y * _WaterSpeed * half2(-1.1,1.3);
                o.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(v.normalOS);
                
                return o;
            }
            //fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET
            //片元着色器
            half4 frag(Varyings i) : SV_TARGET
            {
                //1、水的深度
                //获取屏幕空间下的 UV 坐标
                float2 screenUV = i.positionCS.xy / _ScreenParams.xy;
                half depthTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture,sampler_CameraDepthTexture,screenUV).x;
                //深度图转化到观察空间下
                float depthScene = LinearEyeDepth(depthTex,_ZBufferParams);
                //获取水面模型顶点在观察空间下的Z值（可以在顶点着色器中，对其直接进行转化得到顶点观察空间下的坐标）
                float4 depthWater = depthScene + i.positionVS.z;
                
                //2、水的颜色，线性插值得到水 和 接触物体的水的 颜色的过度
                half4 waterColor = lerp(_WaterColor1,_WaterColor2,depthWater);
                
                //3、水面泡沫
                //对泡沫纹理进行采样(这里使用顶点世界空间下的坐标进行纹理采样，防止水体缩放影响泡沫的平铺和重复方式)
                half4 foamTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_FoamTex,sampler_FoamTex,i.uv.xy);
                
                foamTex = pow(abs(foamTex),_FoamNoise);
                
                //这里增加一个调整深度图范围的功能
                half4 foamRange = depthWater * _FoamRange;
                
                //使用泡沫纹理 和 泡沫范围 比较得到泡沫遮罩
                half4 foamMask = step(foamRange,foamTex);
                
                //给泡沫加上颜色
                half4 foamColor = foamMask * _FoamColor;
                
                //4、水下的扭曲
                half4 normalTex1 = SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalTex,sampler_NormalTex,i.normalUV.xy);
                half4 normalTex2 = SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalTex,sampler_NormalTex,i.normalUV.zw);
                half4 normalTex = normalTex1 * normalTex2;
                float2 distortUV = lerp(screenUV,normalTex.xy,_Distort);
                
                half4 depthDistortTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture,sampler_CameraDepthTexture,distortUV);
                half depthDistortScene = LinearEyeDepth(depthDistortTex.x,_ZBufferParams);
                half depthDistortWater = depthDistortScene + i.positionVS.z;
                float2 opaqueUV = distortUV;
                if(depthDistortWater<0) opaqueUV = screenUV;
                half4 opaqueTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture,sampler_CameraOpaqueTexture,opaqueUV);
                //5、水的高光
                //Specular = SpecularColor * Ks * pow(max(0,dot(N,H)), Shininess)
                Light light = GetMainLight();
                half3 L = light.direction;
                half3 V = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.positionWS.xyz);
                //修改法线实现，波光粼粼的效果
                half4 N = lerp(half4(i.normalWS,1),normalize(normalTex),_NormalIntensity);
                
                half3 H = normalize(L + V);
                half4 specular = _SpecularColor * _SpecularIntensity * pow(max(0,dot(N.xyz,H)),_Smoothness);
                
                //6、水的反射
                half3 reflectionUV = reflect(-V,N.xyz);
                half4 reflectionTex = SAMPLE_TEXTURECUBE(_ReflectionTex,sampler_ReflectionTex,reflectionUV);
                
                half fresnel = 1 - saturate(dot(i.normalWS,V));
                half4 reflection = reflectionTex * fresnel;
                
                //7、水的焦散
                float4 depthVS = 1;
                depthVS.xy = i.positionVS.xy * depthDistortScene / -i.positionVS.z;
                depthVS.z = depthDistortScene;
                float4 depthWS = mul(unity_CameraToWorld,depthVS);
                float4 depthOS = mul(unity_WorldToObject,depthWS);
                
                float2 uv1 = depthOS.xz * _CausticsTex_ST.xy + depthWS.y *0.1+ _Time.y * _WaterSpeed;
                float2 uv2 = depthOS.xz * _CausticsTex_ST.xy + depthWS.y *0.1+ _Time.y * _WaterSpeed * float2(-1.1,1.3);
                
                half4 causticsTex1 = SAMPLE_TEXTURE2D(_CausticsTex,sampler_CausticsTex,uv1);
                half4 causticsTex2 = SAMPLE_TEXTURE2D(_CausticsTex,sampler_CausticsTex,uv2);
                half4 causticsTex = min(causticsTex1,causticsTex2);
                
                half4 col = (foamColor + waterColor) * opaqueTex + (specular * reflection) + causticsTex;
                
                return col;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
    FallBack "Hidden/Shader Graph/FallbackError"
}