Unity URP管线Linear空间下玻璃效果

效果展示

玻璃效果

制作思路

功能概述（视觉组成）

该玻璃效果由 4 个层叠模块构成：

1. 基础 MatCap 反射层

   • 使用视空间法线与视线计算 MatCap UV
   • 提供玻璃外观的主要反射/明暗结构（不依赖场景光源）

2. 折射 MatCap 扰动层

   • 不是传统意义的屏幕抓取折射（GrabPass/SceneColor），而是第二张 MatCap
   • 通过"厚度 thickness"生成 UV 偏移，让 RefractMatCap 产生"错位/扭曲"的观感

3. Fresnel 边缘色

   • 通过 NoV（法线与视线点积）做边缘增强
   • 与折射层做 lerp，决定边缘区域更偏 Fresnel 还是更偏折射扰动

4. 贴花 Decal

   • 最终叠加层，用 decal 的 alpha 做覆盖混合
   • 可用于污渍、裂纹、标签等局部细节

2. 渲染设置与队列行为

2.1 SubShader Tags

"RenderType"="Transparent"
"Queue"="Transparent"

2.2 Pass 状态

Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
ZWrite On
Cull Back
ZTest LEqual

• Blend：标准 alpha 混合。
• ZWrite On ：透明物体写深度（不常见但有用途）
  • 优点：玻璃自身排序/遮挡更稳定，减少"穿插错误"
  • 风险：多个透明物体叠加时，后绘制的透明可能被深度挡掉（透明排序问题会更明显）。适合"单层玻璃"或希望玻璃优先占位的场景。
• Cull Back：背面剔除，避免内表面干扰。
• ZTest LEqual：常规深度测试。

3. 顶点阶段（Vertex）输出内容

顶点着色器输出：

• positionCS：裁剪空间坐标（用于屏幕栅格化）
• positionWS：世界坐标（用于视线向量、计算高度）
• normalWS：世界法线（用于 Fresnel、转换到视空间算 MatCap）
• uv：模型 UV（用于 dirty/decal）

实现上依赖 URP 的工具函数：

• GetVertexPositionInputs
• GetVertexNormalInputs

4. MatCap 原理与 UV 计算（核心之一）

4.1 为什么 MatCap 适合玻璃"反射外观"

MatCap（Material Capture）是一种"把一个球面在特定光照/环境下拍成贴图"的技术。运行时根据视角和法线查表得到颜色，可快速得到类似反射的明暗变化，成本低且稳定。

它不是真反射：不会反映真实场景，只是"看起来像反射"。

4.2 Shader 中的 MatCap UV 算法

关键代码：

float3 Vws = SafeNormalize(GetWorldSpaceViewDir(i.positionWS));

float3 Vvs = normalize(TransformWorldToViewDir(-Vws));      
float3 Nvs = normalize(TransformWorldToViewDir(N));     

float3 c = cross(Vvs, Nvs);
float2 matCapUV = float2(-c.y, c.x) * 0.5 + 0.5;

解释：

1. 计算世界空间视线 Vws（从像素指向相机）。
2. 将视线与法线转换到视空间（View Space），因为 MatCap 本质是"以相机为中心"的查表。
3. cross(Vvs, Nvs) 得到一个与两者垂直的向量，其 x/y 分量用于构造 2D 查表坐标。
4. 乘 0.5 加 0.5：把 [-1,1] 映射到 [0,1]，用于采样贴图。

输出 matcap = SAMPLE_TEXTURE2D(_MatCap, ..., matCapUV) 作为基础反射层。

5. Fresnel（边缘增强）实现

5.1 NoV 的意义

float NoV = dot(N, Vws);

• 当视线接近法线方向（正视表面）时，NoV 趋近 1
• 当视线与表面接近平行（掠射角/边缘）时，NoV 趋近 0

5.2 smoothstep 控制区间

float fres = smoothstep(_Min, _Max, NoV);

• _Min/_Max 定义 NoV 的映射区间
• smoothstep 输出 0~1 的平滑曲线
• 注意：此处 fres 随 NoV 增大而增大，因此：
  • 正视区域 fres 较大
  • 边缘区域 fres 较小

后续用到了 (1.0 - fres)，相当于重新得到"边缘更强"的权重（这是这份 shader 的使用方式）。

6. Thickness（厚度）与高度映射（核心之二）

6.1 设计意图

真实玻璃折射强度与厚度相关。该 shader 用一个厚度标量 thickness 来驱动"折射 MatCap 的 UV 偏移"，从而模拟厚薄不均导致的折射扰动。

6.2 ThicknessMap 的 UV 构造：用世界高度做纵向采样

float3 objOriginWS = TransformObjectToWorld(float3(0,0,0));

float h = ((i.positionWS.y - objOriginWS.y) - _ObjectPivotOffset) / max(1e-5, _ObjectHeight);
float2 thicknessUV = float2(0.5, h);

含义：

• 以物体原点（pivot）为基准取世界高度差：i.positionWS.y - objOriginWS.y
• _ObjectPivotOffset：手动修正 pivot 不在底部/中心时的高度零点
• _ObjectHeight：归一化高度范围，避免不同尺寸物体导致同一贴图不适配
• thicknessUV.x 固定为 0.5：说明厚度图在 x 方向不变化，相当于只取一条竖向渐变（或把贴图当作 1D 曲线）

因此 ThicknessMap 实际是一个"沿高度变化的厚度曲线"。

7. DirtyMask（脏污）如何影响厚度与折射

float2 uvDirty = i.uv * _DirtyMask_ST.xy + _DirtyMask_ST.zw;
float dirtyA = SAMPLE_TEXTURE2D(_DirtyMask, sampler_DirtyMask, uvDirty).a;

• 取 dirty mask 的 alpha 通道作为脏污强度。

• 参与 thickness 计算：

  float thickness =
  (1.0 - fres) +
  SAMPLE_TEXTURE2D(_ThicknessMap, sampler_ThicknessMap, thicknessUV).r +
  dirtyA;

分解：

• (1 - fres)：边缘区域更大 → 边缘更"厚/折射更强"（符合玻璃边缘更明显的主观印象）
• ThicknessMap.r：提供沿高度变化的基础厚度
• dirtyA：脏污区域增强 thickness → 让脏污处折射更强、更"糊/扭曲"（模拟指纹、雾化、水渍造成的扰动）

8. 折射 MatCap：UV 偏移与混合逻辑（核心之三）

8.1 偏移量与强度

float refrOffset = thickness * _RefractIntensity;
float refrLerp = saturate(refrOffset);

• _RefractIntensity 是全局折射强度
• refrOffset 同时也是UV 偏移量 ，且 refrLerp 用它的大小做混合权重（越偏移越用折射层）

8.2 折射 MatCap 采样

float4 refrMatcap = SAMPLE_TEXTURE2D(_RefractMatCap, sampler_RefractMatCap, matCapUV + refrOffset);

注意：这里 refrOffset 是一个标量，加到 float2 上会同时影响 u、v（等价于 (refrOffset, refrOffset)）。这会产生一种"对角线方向统一漂移"的扭曲风格。若你希望更自然的扰动，一般会改成：

• matCapUV + normalVS.xy * refrOffset
• 或从 noise/flow map 得到 2D 偏移

但当前实现的优点是：简单、稳定、可控。

8.3 FresnelColor 与折射层的混合

float4 fresOrRefr = lerp(_FresnelColor, refrMat, refrLerp);

解释：

• 当 refrOffset 小（折射弱）→ 更接近 _FresnelColor
• 当 refrOffset 大（折射强）→ 更接近 refrMatcap

这让 FresnelColor 更像是"折射不足时的补色/边缘色"，并与厚度共同控制视觉风格。

9. Decal 贴花叠加（最终合成）

float4 col = lerp(matcap + fresOrRefr, decal, decal.a);

• 先把 matcap + fresOrRefr 作为玻璃主体颜色
• 再用 decal alpha 做覆盖混合
  • decal.a=1：完全显示 decal
  • decal.a=0：完全显示玻璃主体

这适合做：裂纹、LOGO、污渍局部贴纸等。

10. Alpha（透明度）生成逻辑

float a = decal.a + saturate(max(matcap.r, thickness));
return half4(col.rgb, a);

含义：

• max(matcap.r, thickness)：取 MatCap 的红通道或厚度的较大值作为"主体不透明度趋势"
• saturate 限制到 [0,1]
• 再加上 decal.a：贴花区域额外提高不透明度（例如裂纹、贴纸更实）

这是一个"风格化透明度"方案：透明度不是物理的 Beer-Lambert 吸收，而是让玻璃在高光强、厚度大、或有贴花时更"实"。

11. 参数说明与调参建议

MatCap 相关

• _MatCap：基础反射外观（决定玻璃主质感）
• _RefractMatCap：折射扭曲外观（决定"扰动的反射色块"长什么样）
• _RefractIntensity：折强度（同时影响 UV 偏移与折射混合权重）

建议：

• _RefractMatCap 可以用更"模糊/散"的 MatCap，配合偏移更像折射糊影。

Fresnel

• _FresnelColor：折射不足时的边缘色/补色
• _Min/_Max：控制 NoV 到 fres 的过渡区间
  • _Min 小、_Max 大：过渡更平缓
  • 若想"边缘更明显"，通常会让 (1-fres)在更宽区间保持较大（可通过调整 min/max 或改成 1-smoothstep(...)）

Thickness/高度

• _ObjectHeight：高度归一化尺度（非常关键，否则 thicknessUV 的 h 会跑飞）
• _ObjectPivotOffset：修正 pivot 高度零点
• _ThicknessMap：沿高度控制厚度变化
• _DirtyMask：局部增强厚度/折射（用 alpha 通道）

Decal

• _Decal：贴花内容
• _Decal_ST：平铺与偏移

12. 已知限制与可扩展方向（工程角度）

限制

1. 不是真折射：没有采样 SceneColor，因此不会折射真实背景。
2. UV 偏移是标量统一偏移（u、v 同时加同一个值），扰动方向单一。
3. ZWrite On 的透明会带来多层透明叠加不正确的风险。