如何拥有一个“私人泳池”

作者：admin
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时间：2019年01月05日
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浏览：6205 次
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分类：博物纳新

导读

水面效果是很多游戏场景中都会选择构建的地形，之前的博物纳新栏目中，我们介绍过海洋场景和水波效果的开源库：

而本文将介绍的Wave Equation这个项目中的水面效果，更像一个清澈的海岛无边泳池。接下来小编就来和大家一起学习如何搭建一个高效且华丽的“私人泳池”。

项目链接

Wave Equation
https://lab.uwa4d.com/lab/5b5a5467d7f10a201fe4bbfb

作者博客
http://www.lsngo.net/?tubwhs=nccuf1&kapgzy=qrdem2

项目介绍

该项目实现了诸多十分逼真的效果，小编节选其中水面波动效果、焦散和体积光效果重点介绍，其余效果如：水面反射、阴影和BlinnPhong模型通过截图进行展示，有兴趣的读者可以前往开源库下载和研究。

第一部分：水面网格及波动效果

水面波动效果

LiquidSimulator.cs用于控制生成水面网格，项目运行后会在当前GameObject中添加Mesh组件与水面材质，并添加一个摄像机用于实现反射效果（ReflectCamera）。

水面网格
LiquidSimulator的Inspector面板中输入参数：水体长度、宽度、深度、网络单元格大小、粘性阻尼大小、波速、力度系数。这些参数在经过波速、时间等约束条件检测后传递给LiquidSampleCamera.cs用于构建摄像机（LiquidSampleCamera）。

LiquidSampleCamera将水面作为近裁截面，生成名为[Cur]的RenderTexture作为当前摄像机的targetTexture。

当有物体（带有LiquidSampleObject组件）与水面交互时，调用DrawRenderer函数（如果是鼠标点击交互调用ForceDrawMesh）通过Force.shader，使用CommandBuffer绘制Mesh并保存在[Cur]RT中。

交互物体，例如正方体，没有完全浸入水面时，正面被摄像机裁剪，背面在Force.shader中通过第一个pass，根据浸入深度，填充R通道和G通道，从而模拟不同的波动力度。

方块上表面没有浸入水面时的 [Cur]RT
完全没入水面时，背面通过第一个Pass，正面通过第二个Pass。正面会将背面覆盖，形成黑色的纹理。
请输入图片描述

方块上表面浸入水面时的 [Cur]RT ，采用负色效果查看
当运行OnRenderImage时，将当前RT([Cur])、传入使用WaveEquationGen.shader的材质中运算并保存在名为[HeightMap]的RT中。

再将当前[HeightMap]传入使用NormalGen.shader的材质中运算并保存在名为[NormalMap]的RT中。

用一张名为[Pre]的RT保存当前RT。

运行OnPostRender，重置[Cur]为黑色。

水面网格的波动效果使用含粘性阻尼的二维波动方程的近似导数进行计算（公式推导可以参考《3D游戏与计算机图形学中的数学方法》第3版第15章第1节的内容）。公式如下：

含粘性阻尼的二维波动方程的近似导数

[Pre]为上一个时间段的位移RT、[Cur]为当前时间段的位移RT。

Shader中的计算如下：

 1float cur = _WaveParams.x*DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv));
 2
 3float rg = _WaveParams.z*(
 4  DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv + float2(_WaveParams.w, 0)))
 5  + DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv + float2(-_WaveParams.w, 0)))
 6  + DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv + float2(0, _WaveParams.w)))
 7  + DecodeHeight(tex2D(_MainTex, i.uv + float2(0, -_WaveParams.w))));
 8
 9float pre = _WaveParams.y*DecodeHeight(tex2D(_PreTex, i.uv));
10
11cur += rg + pre;

水面网格的材质Shader会对[HeightMap]、[NormalMap]、以及后文中提到的其他RT进行采样，计算顶点位置以及相应颜色。

[HeightMap]RT

[NormalMap]RT

第二部分：焦散

焦散效果图
CausticRenderer组件执行开始时创建一个摄像机，并新建一个顶点较多的网格。

在水体网格中计算得到的[NormalMap]RT，以及其他一些参数传递给使用Caustic.shader的材质进行运算。

该着色器的主要原理是根据法线扰动来计算顶点的偏移，再通过计算偏移后的每个三角面的面积和原始三角面的面积比值，如果面积变大说明各顶点离的更远了，则处于焦散的暗部，面积变小则说明顶点相距更近了，则处于焦散的亮部。

处于焦散亮部顶点更接近白色，从而得到一张名为[Caustic]的RT，用于后续参加水中物体BlinnPhong模型的绘制。

此刻的[NormalMap]RT（图左, 128✖️128）传递给Caustic.shader进行采样，经过运算后得到[Caustic]RT（图右, 512*512）

Caustic.shader部分计算如下：

 1v2f vert (appdata_full v)
 2{
 3  v2f o;
 4  float3 normal = UnpackNormal(tex2Dlod(_LiquidNormalMap,float4(v.texcoord.xy,0,0)));
 5  o.oldPos = v.vertex.xz;
 6  v.vertex.xz += normal.xy*_Refract;
 7  o.newPos = v.vertex.xz;
 8  o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
 9   return o;
10}

1fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
2{
3  float oldArea = length(ddx(i.oldPos)) * length(ddy(i.oldPos));
4  float newArea = length(ddx(i.newPos)) * length(ddy(i.newPos));
5  //发生折射后与未折射时三角面的面积比
6  float area = (oldArea / newArea) * 0.5;
7  return float4(area, area, area, 1);
8}

第三部分：体积光

体积光效果图

通过添加水体Mesh，并使用WaterBody.shader进行渲染。其中关于光线追踪和体积光效果颜色的计算如下：

 1//传入水体包围盒信息，用于计算水底光线追踪的范围
 2Vector3 boundsMin = new Vector3(transform.position.x - width * 0.5f,         
 3  transform.position.y - depth,
 4  transform.position.z - length * 0.5f);
 5Vector3 boundsMax = new Vector3(transform.position.x + width * 0.5f, 
 6  transform.position.y,
 7  transform.position.z + length * 0.5f);
 8
 9//传入水体平面用于获取水体表面法线，以计算折射光线
10Vector4 plane = new Vector4(0, 1, 0, Vector3.Dot(new Vector3(0, 1, 0), transform.position));

 1float3 boundSize = _BoundsMax - _BoundsMin;
 2float delta = max(boundSize.x, max(boundSize.y, boundSize.z)) / RAY_STEP;
 3float coldelta = 1.0 / RAY_STEP * _LightIntensity;
 4float3 viewDir = normalize(-UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
 5float4 col = float4(0, 0, 0, 0);
 6for (float k = 0; k < RAY_STEP; k++) {
 7  float3 wp = i.worldPos + viewDir * k * delta;
 8  float atten = SampleShadow(wp);
 9  float clipv = ClipInBounds(wp);
10  float ndl = SampleWaterNormalDotLightDir(wp);
11  col += _FilterColor * coldelta * atten * clipv*ndl;
12}
13return col;

第四部分：其余效果

1.水面反射效果