ShaderOne的体积雾
ShaderOne的体积雾
ShaderOne 是Unity商店的一个shader资源，作者期望把所有的渲染特性集合到一个shader上去，所以起个名字叫 ShaderOne。
本人其实比较反对这种 All In One 的shader，因为变种实在太多，优化起来比较蛋疼，不过作为一个学习资料还是挺好的。
今天我们来看一下他的 体积雾 的实现，先上截图：
核心代码
说到体积雾，大家的第一个印象就是费。
没错了，指望 ShaderOne 的 体积雾 能在手机上跑得飞起是有点强人所难的，因为计算涉及到 射线步进 和 3d纹理采样。
不过如果射线数设置的不那么高，高端手机还是可以一战的，文章的最后会给出一个测试。
在介绍 体积雾 之前，我们先看一下 ShaderOne 提供的全部雾效类型，应用雾效的入口代码如下：
inline void FogApply ( inout SOLightingData i_sold, in v2f i )
{
#ifdef SO_GD_BASE_PASS
#ifdef SO_GD_FOG_SOLID
FogApplySolid ( i_sold, i );
#endif
#ifdef SO_GD_FOG_VOLUMETRIC
FogApplyVolumetric ( i_sold, i );
#endif
#ifdef SO_GD_FOG_VOLUMETRIC_3D
FogApplyVolumetric3D ( i_sold, i );
#endif
#endif
}
可以看到 ShaderOne 提供了3种雾：
- FogApplySolid：线性雾
- FogApplyVolumetric：线性雾 + 指数高度雾
- FogApplyVolumetric3D： 线性雾 + 3d指数高度雾
FogApplySolid
FogApplySolid 就是最简单的 线性雾，提供的参数就三个：颜色、开始距离、结束距离。
代码简单到不想废话：
inline void FogApplySolid ( inout SOLightingData i_sold, in v2f i )
{
#ifdef SO_GD_BASE_PASS
#ifdef SO_SF_FOG_ON
#ifdef SO_GD_FOG_SOLID
half dist = distance ( _WorldSpaceCameraPos.xyz , i.positionWorld );
half distFade = 1.0 - clamp ( ( _FogEndDistance - dist ) / _FogSolidDistance, 0.0, 1.0 );
i_sold.finalRGBA.rgb = lerp ( i_sold.finalRGBA.rgb, _FogColorFade, distFade );
#endif
#endif
#endif
}
FogApplyVolumetric
FogApplyVolumetric 是 指数高度雾 再混合之前的 线性雾。
这里除了之前的线性雾参数之外，又加了高度雾参数。可以看到雾有高低和远近的过渡，并且有2种雾色。
关于指数高度雾，这里的计算公式如下：
fogAmount = 1.0 - exp ( -dist * ( fogHeightIntensity * _FogDensity ) );
这里的公式和Unity的 Exponential 雾类似，只是多了一个 fogHeightIntensity 这个高度因子。
fogHeightIntensity 的计算公式类似线性雾，不过是算的是高度：
fogHeightIntensity = ( 1.0 - min ( ( length ( i.positionWorld.y - _FogHeight ) / _FogHeightSize ), 1.0 ) );
最后雾效和场景颜色的混合计算，是先算指数高度雾，后算线性雾，代码如下：
i_sold.finalRGBA.rgb = lerp ( i_sold.finalRGBA.rgb, fogColor, fogAmount );
i_sold.finalRGBA.rgb = lerp ( i_sold.finalRGBA.rgb, _FogColorFade, distFade );
代码还是比较清楚的，市面上大部分手游的雾效和这个类似，只是计算公式可能有一点差别。
FogApplyVolumetric3D
最后来看一下 FogApplyVolumetric3D，也就是 体积雾。
FogApplyVolumetric3D 和 FogApplyVolumetric 的设置差不多，多了一些体积雾相关的参数，还有一个全局的射线数量需要设置：
两者的计算流程也非常相似，指数雾部分的公式如下：
fogAmount = 1.0 - exp ( -dist * fogAmount );
不过这里 fogAmount 的计算和 FogApplyVolumetric 相比就比较复杂了：为了平滑的勾勒出体积，这里需要依靠 射线步进，主要代码如下：
fogAmount = 0;
for ( int i = 0; i < SO_GD_FOG_RAYCOUNT; i++ )
{
rayPos += viewDir * stepSize;
fogValue = tex3D ( _FogTexture3D, ( rayPos * _FogScale ) + fogUVOffset ).a;
#ifdef SO_GD_FOG_ROUGHNESS_ON
fogYLength = length ( rayPos.y - ( _FogHeight + ( ( fogValue - 0.5 ) * _FogVerticalRoughness ) ) );
#else
fogYLength = length ( rayPos.y - _FogHeight );
#endif
heightIntensity = 1.0 - min ( ( fogYLength / _FogHeightSize ), 1.0 );
fogAmount += fogValue * heightIntensity;
}
fogAmount = ( fogAmount / SO_GD_FOG_RAYCOUNT ) * _FogDensity;
上述代码的大致计算流程如下：
-
从摄像机向场景发射 SO_GD_FOG_RAYCOUNT 条射线，这里的 SO_GD_FOG_RAYCOUNT 即前面的全局射线数，这个值越高效果越好，当然也越费。
-
每一条射线从摄像机点沿着 viewDir 方向逐步向前探测 stepSize 段距离，并且从一个预定的3d纹理 _FogTexture3D 去采样雾的密度。
-
最后把这么多根射线的采样结果加权平均，得出 fogAmount。
关于_FogTexture3D
可以看到，雾的体积由 _FogTexture3D 这张3d纹理决定。
_FogTexture3D 是一个3维的噪声图，如果我们想要自己调整噪音参数，可以借由作者提供的一个工具：Fog Texture Designer。
这个工具依赖另一个Unity的插件：FastNoise，具体细节可以参考插件源码，这个不是本文的重点。
关于stepSize的计算
前文提到 射线步进 的步长是 stepSize，stepSize 的计算方式如下：
dist = length ( _WorldSpaceCameraPos.xyz - i.positionWorld ) - _FogOffset;
distFade = 1.0 - clamp ( ( _FogEndDistance - dist ) / _FogSolidDistance, 0.0, 1.0 );
stepSize = dist / (float)SO_GD_FOG_RAYCOUNT;
这里比较简单，把dist按照射线数等分即可。
关于SO_GD_FOG_RAYCOUNT
SO_GD_FOG_RAYCOUNT 控制射线的数量，这个参数对体积雾的质量影响较大，下图是只发3条射线的计算结果：
可以看到之前的平滑过渡出现了断裂。
关于Fog Roughness
Fog Roughness 通过给高度增加扰动来增加雾的高低起伏，计算代码如下：
#ifdef SO_GD_FOG_ROUGHNESS_ON
fogYLength = length ( rayPos.y - ( _FogHeight + ( ( fogValue - 0.5 ) * _FogVerticalRoughness ) ) );
#else
fogYLength = length ( rayPos.y - _FogHeight );
#endif
heightIntensity = 1.0 - min ( ( fogYLength / _FogHeightSize ), 1.0 );
下图是 Fog Roughness 设置为0和设置为16的效果对比：
移动设备的帧率
体积雾就介绍到这里了。
最后，看看哥的 小米MIX2 是否可以一战。
24条射线，Roughness不开很高的情况下，稳稳60帧，效果也能接受，如下图：
个人主页
本文的个人主页链接：https://baddogzz.github.io/2020/01/06/Volumetric-Fog/
好了，拜拜。