Unity中URP下实现水体（水面高光）

文章目录

前言
一、实现高光反射原理
- 1、原理：
- 2、公式：
二、实现
- 1、定义 _SpecularColor 作为高光反射的颜色
- 2、定义 _SpecularIntensity 作为反射系数，控制高光反射的强度
- 3、定义 _Smoothness 作为高光指数，用于模型高光范围
- 4、模拟出水面，波澜起伏的效果（用法线纹理代替原本的法线信息，计算出 $\vec{N}$ ）
- 6、计算出半角向量 $\vec{H}$
- 7、带入公式，得到Blinn-Phone高光效果
- 8、与上一篇文章中，计算得到水下扭曲的结果，相加输出即可
三、最终效果

前言

在上一篇文章中，我们实现了水体的水下扭曲效果。

Unity中URP实现水体（水下的扭曲）

在这篇文章中，我们来实现水面的高光效果，这里高光光照模型我们使用 Bllinn Phone 光照模型。

一、实现高光反射原理

1、原理：

Unity中Shader光照模型Blinn-Phong原理及实现

2、公式：

Specular = SpecularColor * Ks * pow(max(0,dot(N,H)),Shininess)

Specular：高光反射的最终颜色
SpecularColor：高光反射颜色
Ks：反射系数
N：顶点法向量
H：入射光线L 和视线向量V的半角向量
Shininess：高光指数，用于模拟高光的范围

二、实现

1、定义 _SpecularColor 作为高光反射的颜色

_SpecularColor(“Specular Color”,Color) = (1,1,1,1)

2、定义 _SpecularIntensity 作为反射系数，控制高光反射的强度

_SpecularIntensity(“Specular Intensity”,Float) = 0.6

3、定义 _Smoothness 作为高光指数，用于模型高光范围

_Smoothness(“Smoothness”,Float) = 10

4、模拟出水面，波澜起伏的效果（用法线纹理代替原本的法线信息，计算出 $\vec{N}$ ）

在属性面板接收法线贴图，用于代替原本的法线 $\vec{N}$

_NormalTex(“NormalTex”,2D) = “white”{}

在Pass中，申明法线纹理和采样器

TEXTURE2D(_NormalTex);SAMPLER(sampler_NormalTex);

在 Varyings 中，定义一个四维变量，用于存储两组方向相反的流动uv

float4 normalUV : TEXCOORD5;

在顶点着色器中，计算得到两组方向相反的流动uv，用于法线纹理的采样（目的是实现波浪随机凌乱的效果）

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);

在片元着色器中，对法线纹理用上面两组uv分别采样，得到两个法线纹理，使其相乘得到混乱波浪的效果。

half4 normalTex1 = SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalTex,sampler_NormalTex,i.normalUV.xy);
half4 normalTex2 = SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalTex,sampler_NormalTex,i.normalUV.zw);
half4 normalTex = normalTex1 * normalTex2;

请添加图片描述

用法线纹理替代原本模型的法线信息

half4 N = normalize(normalTex);

6、计算出半角向量 $\vec{H}$

$\vec{H} = \vec{L} + \vec{V}$

计算出指向光线向量 $\vec{L}$
得到主光信息后，使用其方向成员即可

Light light = GetMainLight();
half3 L = light.direction;

计算出指向视线的向量 $\vec{V}$
使用世界空间下，摄像机坐标减去顶点坐标即可

half3 V = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.positionWS.xyz);

相加得到半角向量

half3 H = normalize(L + V);

7、带入公式，得到Blinn-Phone高光效果

Specular = SpecularColor * Ks * pow(max(0,dot(N,H)),Shininess)

half4 specular = _SpecularColor * _SpecularIntensity * pow(max(0,dot(N,H)),_Smoothness);

请添加图片描述

8、与上一篇文章中，计算得到水下扭曲的结果，相加输出即可

col += specular;

请添加图片描述

三、最终效果

请添加图片描述

//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)
        
        _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(0,0.5)) = 0
        
        [Header(Specular)]
        _SpecularColor("Specular Color",Color) = (1,1,1,1)
        _SpecularIntensity("Specular Intensity",Float) = 0.6
        _Smoothness("Smoothness",Float) = 10
        
    }
    
    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;
            CBUFFER_END

            
            TEXTURE2D(_CameraDepthTexture);SAMPLER(sampler_CameraDepthTexture);
            TEXTURE2D(_FoamTex);SAMPLER(sampler_FoamTex);
            TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture);SAMPLER(sampler_CameraOpaqueTexture);
            TEXTURE2D(_NormalTex);SAMPLER(sampler_NormalTex);
            //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);
                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(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;
                
                half4 col = foamColor + waterColor;
                
                //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,_Distort);
                half4 cameraOpaqueTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture,sampler_CameraOpaqueTexture,distortUV);
                
                col *= cameraOpaqueTex;
                //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 = normalize(normalTex);
                
                half3 H = normalize(L + V);
                half4 specular = _SpecularColor * _SpecularIntensity * pow(max(0,dot(N,H)),_Smoothness);
                
                col += specular;
                //水的反射

                //水的焦散
                
                return col;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
    FallBack "Hidden/Shader Graph/FallbackError"
}