Unity Shader 学习笔记（25） 全局雾效

Unity Shader 学习笔记（25） 全局雾效

参考书籍：《Unity Shader 入门精要》
3D数学 学习笔记（7） 视图、视锥、视场（Field of View）、裁切空间、屏幕空间

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雾效（Fog）

实现方法：

• Unity内置雾效可以产生基于距离的线性或指数雾效。
• 自行编写雾效需要添加#pragma multi_compile_fog指令，并使用相关宏。缺点是需要为所有物体添加渲染代码，实现效果有限。
• 根据深度纹理重建每个像素世界空间下位置，使用公式模拟雾效。
  
  

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重建世界坐标

由世界空间下相机位置加上像素相对相机偏移量即可。
float worldPos = _WorldSpaceCameraPos + linearDepth * interpolatedRay;

• _WorldSpaceCameraPos：世界空间下相机位置，Unity内置变量。
• linearDepth：深度纹理的线性深度值。
• interpolatedRay：顶点着色器输出并插值后的射线，包含方向和距离。

interpolatedRay

实质是存了近裁切面的四个角的向量中最靠近的一个。在顶点着色器中，根据当前位置，选择对应的向量，做插值，最后传递给片元着色器得到interpolatedRay。

相关计算：aspect为宽高比。

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雾的计算

颜色混合类似透明度混合：f为混合系数。
float3 afterFog = f * fogColor + (1 - f) * origColor;

雾效系数f的计算方法：z为距离（一般是点的高度）。

• 线性：f = (d_max - |z|) / (d_max - d_min)。d表示受雾影响的距离。
• 指数：f = e^{-d * |z|}。d是控制浓度的参数。
• 指数的平方：f = e^{-(d - |z|)2}。d是控制浓度的参数。

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实现

FogWithDepthTexture类：

using UnityEngine;

/// 

/// 雾效
/// 
public class FogWithDepthTexture : PostEffectsBase
{
    private Camera targetCamera;
    public Camera TargetCamera { get { return targetCamera = targetCamera == null ? GetComponent() : targetCamera; } }

    private Transform cameraTransform;
    public Transform CameraTransform { get { return cameraTransform = cameraTransform == null ? TargetCamera.transform : cameraTransform; } }

    [Range(0.0f, 3.0f)]
    public float fogDensity = 1.0f;         // 雾的密度

    public Color fogColor = Color.white;    // 雾的颜色

    public float fogStart = 0.0f;           // 起始高度
    public float fogEnd = 2.0f;             // 终止高度

    void OnEnable()
    {
        TargetCamera.depthTextureMode |= DepthTextureMode.Depth;
    }

    void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
    {
        if (TargetMaterial != null)
        {
            Matrix4x4 frustumCorners = Matrix4x4.identity;  // 存近裁切平面的四个角

            float fov = TargetCamera.fieldOfView;         // 竖直方向视角范围（角度）
            float near = TargetCamera.nearClipPlane;      // 近平面距离 
            float aspect = TargetCamera.aspect;           // 宽高比

            // 计算四个角对应的向量，存到frustumCorners
            float halfHeight = near * Mathf.Tan(fov * 0.5f * Mathf.Deg2Rad);
            Vector3 toRight = CameraTransform.right * halfHeight * aspect;
            Vector3 toTop = CameraTransform.up * halfHeight;

            Vector3 topLeft = CameraTransform.forward * near + toTop - toRight;
            float scale = topLeft.magnitude / near;

            topLeft.Normalize();
            topLeft *= scale;
		
			...  // 同样方法计算其他三个角

            frustumCorners.SetRow(0, bottomLeft);
            frustumCorners.SetRow(1, bottomRight);
            frustumCorners.SetRow(2, topRight);
            frustumCorners.SetRow(3, topLeft);

            TargetMaterial.SetMatrix("_FrustumCornersRay", frustumCorners);
            TargetMaterial.SetFloat("_FogDensity", fogDensity);
            TargetMaterial.SetColor("_FogColor", fogColor);
            TargetMaterial.SetFloat("_FogStart", fogStart);
            TargetMaterial.SetFloat("_FogEnd", fogEnd);

        }
        Graphics.Blit(src, dest, TargetMaterial);
    }
}

Shader：

Properties {
	_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
	_FogDensity ("Fog Density", Float) = 1.0
	_FogColor ("Fog Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
	_FogStart ("Fog Start", Float) = 0.0
	_FogEnd ("Fog End", Float) = 1.0
}
SubShader {
	...

	struct v2f {
		float4 pos : SV_POSITION;
		half2 uv : TEXCOORD0;
		half2 uv_depth : TEXCOORD1;				// 深度纹理
		float4 interpolatedRay : TEXCOORD2;		// 插值后的像素向量
	};
	
	v2f vert(appdata_img v) {
		...
		
		// 靠近哪个角选哪个
		int index = 0;
		if (v.texcoord.x < 0.5 && v.texcoord.y < 0.5) {
			index = 0;
		} else if (v.texcoord.x > 0.5 && v.texcoord.y < 0.5) {
			index = 1;
		} else if (v.texcoord.x > 0.5 && v.texcoord.y > 0.5) {
			index = 2;
		} else {
			index = 3;
		}

		#if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP
		if (_MainTex_TexelSize.y < 0)
			index = 3 - index;
		#endif
		
		o.interpolatedRay = _FrustumCornersRay[index];
		return o;
	}
	
	fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
		// 采样然后得到视角空间的线性深度值
		float linearDepth = LinearEyeDepth(SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv_depth));
		float3 worldPos = _WorldSpaceCameraPos + linearDepth * i.interpolatedRay.xyz;	// 世界空间相机相加
					
		float fogDensity = (_FogEnd - worldPos.y) / (_FogEnd - _FogStart); 
		fogDensity = saturate(fogDensity * _FogDensity);					// 限制在0~1
		
		fixed4 finalColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
		finalColor.rgb = lerp(finalColor.rgb, _FogColor.rgb, fogDensity);
		
		return finalColor;
	}
	
	ENDCG
	
	Pass {
		ZTest Always Cull Off ZWrite Off
		     	
		CGPROGRAM  
		
		#pragma vertex vert  
		#pragma fragment frag  
		  
		ENDCG  
	}
}