Unity Shader Graph - 冰纹理折射
扭曲着色器冰纹理折射效果的核心原理与数学基础
冰纹理折射的视觉本质与空间映射
扭曲着色器冰纹理折射效果本质是在二维屏幕空间构建折射率场（RI Field），并结合菲涅尔效应、法线扰动等光学模型，模拟出"透明介质折射"的视觉特征。其核心数学逻辑围绕以下两点展开：
- 折射率梯度：利用高度场函数在表面构建变化的折射率分布，冰层的透明度、扭曲程度由折射率梯度控制。
- 法线偏折模拟 ：通过噪声扰动生成虚拟法线偏移量，实现公式：
virtualNormal = baseNormal + noise * iceThickness。
关键数学特性
- 折射定律应用 ：基于斯涅尔定律（Snell's Law）的简化模型：
refractedAngle = asin(sin(viewAngle) / RI)。 - 菲涅尔值域约束：通过 Fresnel 方程将入射角映射到 0,1 范围，控制冰面的透明度变化。
- 多尺度噪声叠加：利用 FBM 生成多层级冰裂纹理，模拟自然的冰面不规则性。
冰纹理折射效果的 Shader Graph 节点设计
核心节点功能概述
在 Unity Shader Graph 中实现冰纹理折射效果，需整合法线采样、菲涅尔计算、高度场噪声等节点，核心功能包括：
- 表面法线采样：获取模型的基础法线（Base Normal），作为折射计算的基准。
- 动态时间驱动：通过 Time 节点获取实时时间，控制冰裂纹路的动态变化节奏。
- 厚度场生成：利用噪声函数构建冰层的厚度分布场。
关键端口与参数定义
| 端口名称 | 类型 | 功能说明 |
|---|---|---|
| Base Normal | Vector3 | 输入（只读），模型的基础法线向量 |
| View Vector | Vector3 | 输入（可调节/只读），摄像机到表面的视图方向 |
| Ice Thickness | Float | 输入（可调节），冰层的平均厚度 |
| Crack Density | Float | 输入（可调节），冰裂的密集程度 |
| RI Variation | Float | 输入（可调节），折射率变化的幅度 |
| Ice Color | Color | 输入（可调节），冰层透过的背景颜色 |
| Reflected Color | Color | 输入（可调节），冰面反射的颜色 |
| Fresnel Power | Float | 输入（可调节），菲涅尔效果的强弱程度 |
| Noise Scale | Float | 输入（可调节），噪声缩放比例 |
| Base Color | Color | 输入（可调节），Master 节点的基础颜色 |
| Out Color | Vector4 | 输出，最终的着色器颜色 |
冰纹理折射效果的实现步骤（可复现）
前置准备
- 环境要求：Unity 2021.3+，URP 渲染管线，已安装 Shader Graph 插件。
- 素材准备：任意 3D 模型（如 Cube、Plane），用于测试冰纹理折射效果。
- 创建基础 Shader：在 Project 窗口右键→Create→Shader→Universal Render Pipeline→Lit Shader Graph，命名为"IceRefractionVertexShader"。
步骤 1：获取法线与菲涅尔值
- 添加 Base Normal 节点：选择"Object Space"或"World Space"获取模型基础法线。
- 菲涅尔计算 ：
- 添加"Dot"节点，将 Base Normal 与 View Vector（近似 (0,0,-1)）进行点积运算。
- 添加"Fresnel"节点，将 Dot 结果输入 In 端口，Fresnel Power 设为 3.0。
步骤 2：构建冰层厚度场
- 多层噪声叠加（FBM） ：
- 添加第一个"Simplex Noise"节点，输入为 Base Normal.xyz 与 Ice Thickness 相乘。
- 添加第二个"Simplex Noise"节点，输入旋转后（使用"Transform Vector"）的坐标，输出乘以 0.5。
- 添加第三个"Simplex Noise"节点，输出乘以 0.25，与前两个噪声相加。
- 最终得到多尺度叠加的冰裂厚度场。
步骤 3：折射率梯度模拟
- 折射变化计算 ：
- 添加"Multiply"节点，将 Ice Thickness 与 RI Variation 相乘。
- 添加"Remap"节点，将冰层厚度从 0,1 重映射到 1.0, 1.3（空气到冰的折射率范围）。
步骤 4：颜色混合与叠加
- 冰层透射 ：
- 添加"Multiply"节点，将 Ice Color 与厚度场遮罩相乘。
- 添加"Multiply"节点，将 Reflected Color 与 (1-Fresnel) 相乘，得到反射部分。
- 连接到 Master 节点：将最终颜色相加后输出到 Base Color 端口。
步骤 5：保存并应用 Shader
- 保存着色器，创建材质并应用于场景模型，进入 Play 模式即可看到冰纹理折射效果。
冰纹理折射效果的实战调优与扩展案例
基础案例：玻璃窗效果（静态透明）
调整步骤
- 参数设置 ：
- Ice Thickness：设为 0.3（较薄的冰层）。
- Crack Density：设为 2.0（中等密集度）。
- Fresnel Power：设为 5.0（较强的菲涅尔效果）。
- 颜色配置：Ice Color 设为场景背景色，Reflected Color 设为环境光色。
进阶案例：冰裂裂纹效果（动态破碎）
调整步骤
- 修改噪声 ：使用"Simplex Noise"与 Time 叠加，实现裂纹的动态生长：
noise(Time + baseCoord)。 - 参数调整 ：
- Crack Density：设为 0.5（稀疏的裂纹）。
- Evolvement Speed：设为 1.5（缓慢演化）。
高阶案例：多层冰层叠加（真实感增强）
实现步骤
- 复制折射网络：创建第二组冰层节点，使用不同的 Ice Thickness 和 RI Variation。
- 颜色混合：将两层冰的颜色通过"Add"或"Lerping Color"混合，模拟多层冰的叠透效果。
冰纹理折射效果的使用技巧与注意事项
法线空间选择
- Object Space：冰层随模型变形而变形，适合角色/物体的冰甲装饰。
- World Space：冰层固定于场景，适合场景中的冰封物体。
性能优化
- 控制噪声层级：FBM 建议不超过 4 层。
- 菲涅尔幂次优化：Fresnel Power 建议使用 3~6，避免过高导致性能开销。
常见问题排查
- 冰裂不显示：检查 Ice Thickness 是否为正数（建议 0.1~1.0）。
- 折射效果过强：降低 RI Variation 值或调整 Fresnel Power。
总结与拓展应用
总结
Unity Shader Graph 中的冰纹理折射效果核心是通过"菲涅尔边缘计算 + FBM 厚度场构建 + 折射率梯度映射"，实现透明介质折射的视觉转换。通过调整厚度、裂纹密度、菲涅尔幂次等参数，可适配玻璃窗、冰封场景、冰甲装饰等多种游戏/可视化需求。
拓展应用
- 交互破冰效果：结合射线检测与距离场，当玩家靠近模型时触发冰层破碎动画。
- 霜冻蔓延模拟：将冰层厚度与时间变量结合，模拟低温环境下霜冻逐渐覆盖的过程。
- 多重介质混合：将冰层与不同折射率的玻璃/水层叠加，实现复杂的多层透明材质效果。
【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏 - 直达 （欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）