Cornea Refraction 节点是Unity高清渲染管线（HDRP）中专门用于模拟人眼折射效果的专用着色器节点。在计算机图形学中，准确模拟眼睛的视觉效果对于创建逼真的角色至关重要，特别是在近距离特写镜头中。人眼不是一个简单的球体，而是由多个光学元件组成的复杂系统，其中角膜作为眼睛最外层的透明组织，承担了大部分的光线折射工作。传统着色技术难以准确再现这种微妙的光学现象，而Cornea Refraction节点通过基于物理的折射计算，为数字角色赋予了真实的视觉深度和光学准确性。
该节点的核心功能是在对象空间中对注视光线进行折射计算，模拟光线穿过角膜时发生的方向改变。这种计算不仅考虑了角膜的曲率，还结合了眼睛各组成部分的相对位置关系，最终输出折射后在虹膜平面上的精确位置信息。这种精确的模拟使得开发者能够创建出在光照变化下保持视觉一致性的眼睛材质，无论是在静态肖像还是动态表情中都能保持逼真度。
在电影制作、下一代游戏开发和虚拟现实体验中，真实的眼睛渲染是打破"恐怖谷效应"、创造可信数字人物的关键因素。通过Cornea Refraction节点，艺术家和技术美术师可以在不深入了解复杂光学物理的情况下，实现专业级的眼睛渲染效果，大大提高了创作效率和质量。
描述
Cornea Refraction 节点在对象空间（object space）中执行注视光线的折射计算，这是模拟人眼光学特性的核心过程。当光线从空气进入角膜时，由于介质密度的改变，其传播方向会发生偏折，这种现象称为折射。节点通过模拟这一物理过程，计算出光线经角膜折射后与虹膜平面相交的位置，从而为后续的虹膜纹理映射、瞳孔动态调整和其他眼睛内部结构渲染提供准确的坐标基础。
对象空间计算的优势在于其独立于物体的世界变换，这意味着无论眼睛模型在场景中如何移动、旋转或缩放，折射效果都能保持相对稳定。这种稳定性对于角色动画尤为重要，因为它确保了在不同姿势和视角下眼睛折射的一致性。节点内部实现基于斯涅尔定律（Snell's Law），该定律描述了光线在两种不同介质交界处的行为，是光学模拟的物理基础。
节点的计算过程可以分解为几个关键步骤：
- 确定入射光线与角膜表面的交点
- 根据角膜法线和折射率计算折射方向
- 追踪折射光线直到与虹膜平面相交
- 输出交点在对象空间中的坐标
这种精确的模拟使得渲染结果能够响应视角的变化，产生视差效果------当摄像机移动时，可见的虹膜区域会相应变化，这与真实人眼的观察体验一致。此外，节点还考虑了角膜的实际形状，它不是完美的球面，而是中央较陡、边缘较平坦的复杂曲面，这种几何特性被编码在角膜法线输入中。
对于追求最高质量角色渲染的项目，Cornea Refraction节点提供了传统环境映射或简单法线扰动无法实现的物理准确性。它不仅仅是表面上的视觉效果，而是真正模拟了光线通过角膜的光路，确保了虹膜、瞳孔和晶状体在三维空间中的正确视觉定位。
技术原理与实现
从技术实现角度看，Cornea Refraction节点基于光线追踪原理，即使在光栅化渲染管线中，也通过数学近似模拟了光线在角膜中的行为。节点内部使用对象空间中的位置和方向数据，避免了世界空间变换可能引入的精度问题，这对于眼睛这种小尺度高精度的模型尤为重要。
折射计算的核心公式基于斯涅尔定律的向量形式：
η₁ × sin(θ₁) = η₂ × sin(θ₂)其中η₁和η₂分别是两种介质的折射率，θ₁和θ₂是入射角和折射角。在节点实现中，空气的折射率被假定为1.0，而角膜的折射率通过Cornea IOR输入参数控制，默认值为1.333，这与真实人眼角膜的折射率非常接近。
节点还考虑了角膜的厚度和虹膜的相对位置，通过Iris Plane Offset参数调整。在真实眼睛中，角膜具有一定厚度，并且虹膜位于角膜后方，这两个平面之间的距离影响了折射光线的最终交点位置。节点的计算确保了折射后的位置准确地落在虹膜平面上，为后续的纹理映射提供了正确的基础。
渲染管线兼容性
Cornea Refraction节点是HDRP专属功能，这反映了高清渲染管线对高质量角色渲染的专注。HDRP提供了实现真实眼睛折射所需的高精度计算能力和渲染特性，包括精确的光照模型、物理正确的材质系统和高级的光线追踪支持。
| 节点 | 通用渲染管线 (URP) | 高清渲染管线 (HDRP) |
|---|---|---|
| Cornea Refraction 节点 | 否 | 是 |
HDRP中的实现优势
HDRP为Cornea Refraction节点提供了多项关键技术支持，使其能够实现电影级质量的眼部渲染：
- 精确的光照计算：HDRP的基于物理的渲染（PBR）管线确保了折射光线与场景光照的正确交互，包括高动态范围（HDR）光照、精确的阴影和全局光照贡献
- 高质量的抗锯齿：眼部细节极其微小且高对比，HDRP的时间抗锯齿（TAA）和其他抗锯齿技术确保了折射边缘的平滑渲染，避免了闪烁和锯齿现象
- 光线追踪支持：在支持硬件光线追踪的环境中，HDRP可以将Cornea Refraction节点与光线追踪反射、折射和阴影结合使用，实现前所未有的视觉真实感
- 分层材质支持：HDRP复杂的材质系统允许将角膜折射与眼睛的其他部分（如虹膜纹理、巩膜和湿润层）无缝结合，创建多层次的视觉外观
URP不兼容的原因
通用渲染管线（URP）设计目标是跨平台性能和效率，因此省略了一些计算成本较高的专业功能。Cornea Refraction节点需要精确的对象空间计算和复杂的光线相交测试，这些在URP的简化着色模型中难以高效实现。此外，URP通常用于移动平台和低端硬件，这些环境可能无法承受高质量折射计算带来的性能开销。
对于URP项目，通常需要采用替代方案实现类似效果：
- 使用简单的立方体环境映射模拟折射
- 通过法线扰动伪造折射视觉效果
- 使用屏幕空间折射技术，尽管这有其自身的限制和伪影
这些替代方案虽然在特定条件下可以产生可接受的结果，但缺乏Cornea Refraction节点的物理准确性和视角一致性，特别是在极端特写镜头中差异更为明显。
端口
Cornea Refraction节点通过多个输入和输出端口控制折射计算的各个方面。理解每个端口的功能和正确使用方法对于实现预期的视觉效果至关重要。这些端口共同定义了折射模拟的几何关系、光学属性和空间参考系。
输入端口
Position OS
Position OS输入端口接收对象空间中要着色的片元的位置信息。这个三维向量定义了当前正在处理的表面点在对象局部坐标系中的位置，是折射计算的起点。
- 数据来源：通常连接至Position节点，设置为Object空间
- 精度要求：由于眼睛模型通常尺度较小，高精度位置数据对避免计算误差尤为重要
- 使用注意事项：确保位置数据确实在对象空间中，错误的空间定义会导致完全错误的折射结果
在典型的着色器图中，Position OS可以直接从内置的Position节点获取，但需要确保空间转换设置为Object。这个位置不仅用于确定折射起点，还作为后续计算的空间参考基准。
View Direction OS
View Direction OS输入端口定义了对象空间中的入射线方向。这个方向向量代表了从摄像机（或光线追踪中的上一反弹点）到当前着色点的光线路径。
- 光栅化渲染：在传统光栅化中，这代表从摄像机到表面点的方向
- 光线追踪：在光线追踪上下文中，这代表当前追踪光线的方向
- 方向归一化：理想情况下，输入的方向向量应该是归一化的，尽管节点内部通常会进行归一化处理以确保计算稳定性
与Position OS类似，View Direction OS通常从内置的View Direction节点获取，并设置为Object空间。这个向量的准确性直接影响了折射方向的正确性，因为它是斯涅尔定律计算的基础输入之一。
Cornea Normal OS
Cornea Normal OS输入端口指定了对象空间中眼睛表面的法线方向。这个向量定义了角膜表面在着色点处的朝向，是计算入射角和折射角的关键参数。
- 法线来源：通常来自眼睛模型的顶点法线，或通过法线贴图修改的表面法线
- 精度重要性：法线方向的微小误差会导致折射方向的显著偏差，因此高质量的模型和法线数据至关重要
- 对象空间一致性：必须确保法线数据与位置和视线方向在同一对象空间中，否则计算结果将无效
在高质量的眼睛模型中，角膜区域通常具有专门设计的法线分布，以准确表示其复杂的曲面形状。这些法线可能通过 sculpting 软件精心制作，或基于扫描数据生成，确保其物理准确性。
Cornea IOR
Cornea IOR输入端口控制眼睛的折射率，即光在角膜材料中与在真空中传播速度的比值。这个浮点值直接影响折射的强度程度。
- 默认值：1.333，这基于真实人眼角膜的折射率测量值
- 可调范围：通常可在1.3到1.5之间调整，覆盖大多数生物组织的折射率
- 艺术控制：虽然基于物理，但适当调整IOR可以用于艺术目的，如创建风格化或非人类眼睛
折射率的精确值对实现逼真效果至关重要。值过高会导致过度折射，使眼睛内部结构看起来扭曲不自然；值过低则折射效果不明显，失去视觉深度感。建议在物理准确值附近微调以达到最佳视觉效果。
Iris Plane Offset
Iris Plane Offset输入端口定义了角膜末端与虹膜平面之间的距离。这个距离值控制了折射光线与虹膜平面的交点计算。
- 默认值：0.02，基于典型眼睛模型的尺度
- 单位：对象空间单位，与眼睛模型的尺度相关
- 模型依赖性：最佳值取决于具体使用的眼睛模型结构和尺度
在真实解剖学中，虹膜位于角膜后方，两者之间由前房隔开。Iris Plane Offset参数简化了这一关系，假设虹膜是一个平面，并定义了从角膜表面到这个平面的距离。正确设置这个值确保了折射后的位置准确地映射到虹膜纹理上，避免了错位或扭曲。
输出端口
RefractedPositionOS
RefractedPositionOS是节点的唯一输出端口，返回对象空间中折射点在虹膜平面上的位置。这个三维向量是节点计算的最终结果，用于确定虹膜纹理的采样位置。
- 空间一致性：输出位置保持在对象空间中，确保与眼睛模型的其他部分坐标系统一
- 后续处理：通常用于采样虹膜纹理、控制瞳孔缩放或驱动眼睛内部的其他视觉效果
- 动态响应：输出位置会随视角变化而动态改变，产生视差效果，增强三维感
RefractedPositionOS的输出直接反映了折射模拟的准确性。在理想情况下，当从不同角度观察眼睛时，这个位置的变化应该与真实人眼的视觉行为一致------正面观察时看到完整的虹膜，侧面观察时虹膜似乎被角膜边缘遮挡和扭曲。
端口连接实践
在实际着色器图构建中，正确连接Cornea Refraction节点的各个端口是实现预期效果的关键。以下是一个典型的连接示例：
- 将Position节点（设置为Object空间）连接到Position OS端口
- 将View Direction节点（设置为Object空间）连接到View Direction OS端口
- 从Normal Vector节点获取角膜法线，可能需要通过Transform节点转换为对象空间
- 为Cornea IOR提供常量值1.333或通过参数控制，以便材质实例化
- 为Iris Plane Offset提供适合当前眼睛模型的值，通常为0.02左右
- 将RefractedPositionOS输出连接到Texture Sample节点的UV输入，用于采样虹膜纹理
这种连接方式确保了折射计算基于一致的空间参考系，并且结果直接应用于虹膜的外观表现。更高级的使用可能涉及根据RefractedPositionOS驱动其他效果，如瞳孔动态响应或角膜缘（角膜与巩膜交界处）的渐变效果。
应用示例与最佳实践
基础眼睛着色器构建
使用Cornea Refraction节点构建完整的眼睛着色器涉及多个步骤和组件的协同工作。以下是一个典型工作流程：
创建角膜层：
- 使用透明的玻璃状材质作为角膜基础
- 应用轻微的镜面反射表现眼睛表面的湿润感
- 结合折射节点计算虹膜的可见部分
处理虹膜和瞳孔：
- 使用RefractedPositionOS作为UV采样高质量的虹膜纹理
- 根据光照条件动态调整瞳孔大小
- 添加径向渐变模拟虹膜的深度和结构
添加次级效果：
- 在角膜外层添加微妙的薄膜干涉效果
- 模拟角膜缘的渐变过渡
- 添加适当的自发光模拟眼睛的光泽感
这种分层方法确保了眼睛的各个光学组件正确交互，创建出令人信服的最终结果。
性能考量与优化
虽然Cornea Refraction节点提供了高质量的折射模拟，但其计算成本也需要考虑，特别是在需要渲染大量角色的场景中。以下是一些性能优化建议：
- 细节级别（LOD）：在远距离使用简化的眼睛着色器，仅在特写时使用完整的折射计算
- 计算精度：在移动平台或性能受限的环境中，可以考虑降低折射计算的精度以换取性能
- 预处理：对于静态角色或有限的表情范围，可以考虑将折射结果烘焙到纹理中
常见问题与解决方案
在使用Cornea Refraction节点时可能会遇到一些典型问题：
折射效果不明显：
- 检查Cornea IOR值是否过低
- 确认角膜法线是否正确设置
- 验证View Direction OS是否提供了正确的数据
虹膜纹理错位：
- 调整Iris Plane Offset值以匹配眼睛模型
- 检查虹膜纹理的映射方式是否与折射输出协调
- 确认所有空间转换的一致性
性能问题：
- 评估是否可以在特定情况下禁用折射
- 考虑使用更简单的折射近似方法替代
- 分析着色器复杂度并优化不必要的计算
【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达
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