UnityShader_倒影，水波倒影（代码已更新）（2）
相较于上一个水波倒影，这个水波倒影要更为复杂，但也更为真实，大体思路如下
利用脚本抓取水面的镜像，并在Shader中进行处理
先上个Gif解解馋，代码后面整理好再上传，最近实在事情多，早上优化到晚上的工作
原理剖析：
首先镜面反射的原理： 如下图，入射光经过表面光滑的平面产生关于平面法线的反射光，人眼收集到反射光产生成像
使用上面原理，我们只需要收集 从物体发出的反射光即可，看下图
我们从镜面看到的倒影其实是从 图中物体反射光方向 发出的光，因此，我们可以在视角方向关于镜面对称的位置 A 设置一个相机，方向与物体反射光方向反向，然后将 A 位置渲染的图像映在镜面，即产生我们的倒影。
问题： 当出现如下图，C’为反射相机，C为视角方向，P为镜面。
此时C’的相机范围能够照射到AB两个区域的物体，但是实际上，B区域的物体不应该被渲染出来，因为被P镜面挡住了，此时我们应该更改C’反射相机的剪裁面，将近剪裁面改成P所在的平面。（关于远近剪裁面详见《Unity Shader入门精要 4.6.7》，第二张图是关于远近剪裁面的简易图）
以上就是在镜面中的两个核心问题。下面我们来看看如何将上面问题解决并用于代码中。
关于问题1，反射矩阵：
如下图（加粗为矢量），Q为被反射点，Q’为反射点，P为镜面，n为镜面的单位法线，d为平面到原点的距离
设k为平面P到Q点的方向向量，M为k所在直线与平面P的交点，且k与n平行
则 n M+d=0 ，（M是平面上任意一点的时候也满足上式）
∴Q’ = Q - 2kn
∵k= Qn - Mn
∴Q’ = Q - 2n（Qn -（-d））= Q-2n（Qn + d）
即
Q’x = (1-2nxnx)Qx-2nxnyQy-2nxnzQz-2nxd
Q’y = -2nxnyQx+(1-2nyny)Qy-2nynzQz-2nyd
Q’z = -2nxnzQx-2nynzQy+(1-2nznz)Qz-2nz*d
上式可以写成如下
反射矩阵就是中间那个矩阵。
一篇同样关于反射矩阵的描写
关于问题2，替换剪裁平面：
剪裁矩阵的相关计算链接
C#的取镜面代码
using UnityEngine;
using System.Collections;
[ExecuteInEditMode]
public class Mirror : MonoBehaviour
{
public bool m_DisablePixelLights = true;
public int m_TextureSize = 256;
public float m_ClipPlaneOffset = 0.07f;
public bool m_IsFlatMirror = true;
public Vector3 offset = new Vector3(0,0,0);
public LayerMask m_ReflectLayers = -1;
private Hashtable m_ReflectionCameras = new Hashtable();
private RenderTexture m_ReflectionTexture = null;
private int m_OldReflectionTextureSize = 0;
//是否已经在渲染
private static bool s_InsideRendering = false;
public void OnWillRenderObject()
{
if( !enabled || !GetComponent<Renderer>() || !GetComponent<Renderer>().sharedMaterial || !GetComponent<Renderer>().enabled )
return;
Camera cam = Camera.current;//玩家视角相机
if( !cam )
return;
if( s_InsideRendering )
return;
s_InsideRendering = true;
Camera reflectionCamera;//反射相机
CreateMirrorObjects( cam, out reflectionCamera );
Vector3 pos = transform.position + offset;
Vector3 normal;
if(m_IsFlatMirror){
normal = transform.up;
}
else{
normal= transform.position - cam.transform.position ;
normal.Normalize();
}
int oldPixelLightCount = QualitySettings.pixelLightCount;//限制像素光的数量
if( m_DisablePixelLights )
QualitySettings.pixelLightCount = 0;
UpdateCameraModes( cam, reflectionCamera );
float d = -Vector3.Dot (normal, pos) - m_ClipPlaneOffset;
Vector4 reflectionPlane = new Vector4 (normal.x, normal.y, normal.z, d);
Matrix4x4 reflection = Matrix4x4.zero;//反射矩阵
CalculateReflectionMatrix (ref reflection, reflectionPlane);
Vector3 oldpos = cam.transform.position;
Vector3 newpos = reflection.MultiplyPoint( oldpos );//反射相机的位置？
reflectionCamera.worldToCameraMatrix = cam.worldToCameraMatrix * reflection;//反射相机的worldToCameraMatrix矩阵进行反射
// 计算剪切面(把原相机的位置及法线经上面计算的反射矩阵变化)
Vector4 clipPlane = CameraSpacePlane( reflectionCamera, pos, normal, 1.0f );
Matrix4x4 projection = cam.projectionMatrix; //投影矩阵
CalculateObliqueMatrix (ref projection, clipPlane);//计算出剪切面相关的投影矩阵，剪切面以下内容不显示
reflectionCamera.projectionMatrix = projection;
reflectionCamera.cullingMask = ~(1<<4) & m_ReflectLayers.value; //设置可以反射的物体,已经忽略了本身
reflectionCamera.targetTexture = m_ReflectionTexture;
//注意当相机镜像后，其渲染的模型的顶点绕序也会镜像，需要将背面裁剪设置为正面裁剪，渲染结束后再修改回来
GL.invertCulling = true;
reflectionCamera.transform.position = newpos;
Vector3 euler = cam.transform.eulerAngles;
reflectionCamera.transform.eulerAngles = new Vector3(0, euler.y, euler.z);
reflectionCamera.Render();
reflectionCamera.transform.position = oldpos;
GL.invertCulling = false;
Material[] materials = GetComponent<Renderer>().sharedMaterials;
foreach( Material mat in materials ) {
if( mat.HasProperty("_Ref") )
mat.SetTexture( "_Ref", m_ReflectionTexture );
}
if( m_DisablePixelLights )
QualitySettings.pixelLightCount = oldPixelLightCount;
s_InsideRendering = false;
}
void OnDisable()
{
if( m_ReflectionTexture ) {
DestroyImmediate( m_ReflectionTexture );
m_ReflectionTexture = null;
}
foreach( DictionaryEntry kvp in m_ReflectionCameras )
DestroyImmediate( ((Camera)kvp.Value).gameObject );
m_ReflectionCameras.Clear();
}
/// Vector4( cam平面法线, -cpos的法线 )
private Vector4 CameraSpacePlane (Camera cam, Vector3 pos, Vector3 normal, float sideSign)
{
Vector3 offsetPos = pos + normal * m_ClipPlaneOffset;
Matrix4x4 m = cam.worldToCameraMatrix;
Vector3 cpos = m.MultiplyPoint( offsetPos );
Vector3 cnormal = m.MultiplyVector( normal ).normalized * sideSign;
return new Vector4( cnormal.x, cnormal.y, cnormal.z, -Vector3.Dot(cpos,cnormal) );
}
/// Shader中的渲染代码
Shader "Mirrors/Bumped Specular"
{
Properties {
_Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1)
_MainTex ("Base (RGB) Gloss (A)", 2D) = "white" {}
[NoScaleOffset] _NoiseTex ("NoiseTex", 2D) = "white" {} // 噪点图
_BlendLevel("Main Material Blend Level",Range(0,1))=1
_SpecColor ("Specular Color", Color) = (0.5, 0.5, 0.5, 1)
_Shininess ("Shininess", Range (0.03, 128)) = 0.078125
_BumpMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {}
_Bumpness ("Bump Rate",Range(0,10))= 0.5
_Ref ("Auto Generate！", 2D) = "white" {}
_RefColor("Reflection Color",Color) = (1,1,1,1)
_RefRate ("Reflective Rate", Range (0, 1)) = 1
_Distortion ("Reflective Distortion", Range (0, 1)) = 0 // 镜面扭曲程度
_NoiseScaleX ("NoiseScaleX", Range(0, 1)) = 0.1 // 水平噪点放大系数
_NoiseScaleY ("NoiseScaleY", Range(0, 1)) = 0.1 // 垂直放大系数
_NoiseSpeedX ("NoiseSpeedX", Range(0, 10)) = 1 // 水平扰动速度
_NoiseSpeedY ("NoiseSpeedY", Range(0, 10)) = 1 // 垂直扰动速度
_NoiseBrightOffset ("NoiseBrightOffset", Range(0, 0.9)) = 0.25 // 噪点图整体的数值偏移
// _NoiseFalloff ("NoiseFalloff", Range(0, 1)) = 1 // 扰动衰减
// _MirrorRange ("MirrorRange", Range(0, 1)) = 1
}
SubShader
{
Pass
{
Tags {"LightMode" = "ForwardBase" "RenderType"="Opaque" }
LOD 400
CGPROGRAM
// #pragma surface surf BlinnPhong
#pragma multi_compile_fwdbase
//顶点函数定义
#pragma vertex vert
//片元函数定义
#pragma fragment frag
// #pragma target 3.0
// #pragma debug
//引入必要的Unity库 如下面的UnityObjectToClipPos 就是库中函数
#include "UnityCG.cginc"
//引入光照库 _LightColor0需要用
#include "Lighting.cginc"
sampler2D _MainTex;
sampler2D _BumpMap;
sampler2D _NoiseTex;
sampler2D _Ref;
float4 _MainTex_ST;//图片的（平铺和偏移系数）如果要使图片的Tilling和Offset生效就必须定义
float4 _BumpMap_ST;
float4 _NoiseTex_ST;
fixed4 _Color;
half _Shininess;
half _RefRate;
half _Bumpness;
half _BlendLevel;
half _Distortion;
fixed4 _RefColor;
fixed _NoiseScaleX, _NoiseScaleY;
fixed _NoiseSpeedX, _NoiseSpeedY;
fixed _NoiseBrightOffset;
// fixed _NoiseFalloff;
// float _MirrorRange;
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;//每个顶点结构体必须有的
float3 normal : NORMAL;//定义法线
float4 tangent :TANGENT;//定义切线
float4 maintex : TEXCOORD0;//存储主贴图纹理的坐标信息
float4 noisetex : TEXCOORD1;//存储噪声纹理的坐标信息
float4 bumptex : TEXCOORD2;//存储法线纹理的坐标信息
float2 reftex : TEXCOORD3;//存储相机拍摄纹理的坐标信息
};
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;//每个片元结构体必须有的
float3 lightDir : TEXCOORD0;
float3 viewDir : TEXCOORD1;
float4 uv1 : TEXCOORD2;//用于存储主贴图、噪声纹理信息
float4 uv2 : TEXCOORD3;//用于存储法线、相机拍摄纹理信息
float4 projPos :TEXCOORD4;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);//把顶点从模型空间转换到剪裁空间
o.uv1.xy = TRANSFORM_TEX(v.maintex, _MainTex);
o.uv1.zw = TRANSFORM_TEX(v.noisetex, _NoiseTex);
o.uv2.xy = TRANSFORM_TEX(v.bumptex, _BumpMap);
o.projPos = ComputeGrabScreenPos(o.pos);
// o.uv2.zw = v.reftex;
//这里是UnityCG.cginc 库里面定义函数，利用normal和tangent生成对应的rotation矩阵（模型空间转到切线空间的变换矩阵）
//这也是在上面必须定义normal和tangent的原因
TANGENT_SPACE_ROTATION;
o.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex));//将模型顶点的光照方向转到切线空间
o.viewDir = mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex));//将模型顶点的视角方向转到切线空间
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target//返回一个RGBA到模型上
{
fixed3 lightDir = normalize(i.lightDir);
fixed3 viewDir = normalize(i.viewDir);
//这里十分奇怪，要在片元着色器里面计算下面的才不会发生偏移，如果在顶点着色器中计算的话下面的会发生随视角靠近扭曲的现象
i.uv2.zw = i.projPos.xy/i.projPos.w;
fixed2 ouvxy = fixed2( // 噪点图采样，用于主纹理的UV偏移的
tex2D(_NoiseTex, i.uv1.zw + fixed2(_Time.x * _NoiseSpeedX, 0)).r,
tex2D(_NoiseTex, i.uv1.zw + fixed2(0, _Time.x * _NoiseSpeedY)).r);
ouvxy -= _NoiseBrightOffset; // 0~1 to ==> -_NoiseBrightOffset~ 1 - _NoiseBrightOffset
ouvxy *= fixed2(_NoiseScaleX, _NoiseScaleY); // 扰动放大系数
// float scale = i.projPos.x / _MirrorRange; // 用距离来作为扰动衰减
// scale = lerp(scale, 1, (1 - _NoiseFalloff)); // 距离越近扰动越是衰减（即：与镜面距离越近，基本是不扰动的，所以我们可以看到边缘与镜面的像素是吻合的）
// ouvxy *= scale;
fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap,i.uv2.xy + ouvxy);//采样_BumpMap里面的法线信息
//UnpackNormal英文含义就是 解压法线 将法线从颜色信息里面解压出来
//这里涉及到一个知识点 为什么法线贴图是蓝色调的
//法线贴图里面法线都是存储在切线空间里面的
//详细请看文末提到的博客
fixed3 tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);
//切线空间的法线是单位长度为1的，所以只要求出其中两个就可以利用长度求出另一个值
tangentNormal.xy *= _Bumpness;
tangentNormal.z = sqrt(1-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));
fixed3 albedo = tex2D(_MainTex,i.uv1.xy).rgb * _Color * _BlendLevel;//采样主贴图的纹理颜色
//半罗伯特反射
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * (1+dot(lightDir,tangentNormal))/2;
//Blinn-Phong模型高光
fixed3 halfView = normalize(lightDir + viewDir);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _SpecColor * pow(saturate(dot(tangentNormal,halfView)),_Shininess);
fixed3 reflect = tex2D(_Ref,i.uv2.zw + tangentNormal.xy*_Distortion + ouvxy).rgb * _RefRate ;
return fixed4(diffuse + specular + reflect,1);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
下图为QualitySettings.pixelLightCount参数设置的含义
完整代码百度盘，提取码：oyy9