Unity眼球shader笔记

正面

侧面

虹膜大小参数

瞳孔大小参数

折射率参数

视差程度参数

模型

眼球结构

我们可以明显看到眼球前方有一个凸起的部位，包含了角膜房水等结构，因此在建模时需要体现出这一效果。

UV映射直接采用了Y轴平面映射。

虹膜大小调整

这里将模型自带的UV首先转换成关于原点中心对称，比较方便计算。然后将UV到原点长度大于设定值的返回巩膜颜色，小于设定值的我们做虹膜的渲染，并且使用一个新的UV（虹膜边缘UV长度为0.5，中心依然为原点）方便之后的计算。

float2 sUV = i.uv - float2(0.5, 0.5);
float2 sUVIris = sUV / _IrisRadius / 2;

虹膜视差效果

由于虹膜和瞳孔的部分是处于角膜下一定距离，并且房水和角膜作为介质有一定的的折射率，因此这里我们需要引入一个视差效果来给予眼球立体感。

我将所有的计算首先转换到模型空间下。这里如果将虹膜视为一个平面，（模型采用平面投影UV，不过此处为了让计算更简单一点采用表面法线和虹膜平面的交点作为原UV）我们可以得到如下的光路图：

只要求得了偏移量x以及偏移方向，我们就能得到偏移后的UV，使用此UV采样贴图就可得到折射后产生的视差效果。

具体计算方式是：

在有些情况下这里的UpR可能成为一个负值，不过最终我们得到的偏移量是一个标量，这个矫正需要用偏移方向向量来做。至于式子中的d，可以用一个高度纹理采样，越靠近虹膜边缘处折射越小，我这里是在shader里直接计算了球面减去平面的高度差。

float cosUpN = dot(objectNormal, float3(0,1,0));
float sinUpN = sqrt(1 - cosUpN * cosUpN);
float cosVN = dot(objectNormal,  objectViewDir);
float sinVN = sqrt(1 - cosVN * cosVN);
float sinRN = sinVN / _IOR;
float cosRN =  sqrt(1 - sinRN * sinRN);
float cosUpR = sinUpN * sinRN + cosUpN * cosRN;
float2 sUVIris = sUV / _IrisRadius / 2;
float d1 = sqrt(1 - sUVIris.x * sUVIris.x - sUVIris.y * sUVIris.y) - 0.86603;
float d2 = sqrt(0.3025 - sUVIris.x * sUVIris.x - sUVIris.y * sUVIris.y) - 0.22913;
float2 deltaUV = _Distortion * (d2 - d1) * sinRN / cosUpR * uvDirection;

一开始我直接将偏移方向设定为视线方向在虹膜平面上的投影方向向量，不过这实际上是不对的，因为实际偏移方向也是和眼球表面法线相关的。

如图所示，图中偏移方向应该向左，然而视线在平面上的投影是向右的。这个问题花费了我不少时间排除……最终我使用的计算方式是：

float3 T = cross(objectViewDir,objectNormal);
float3 D = cross(float3(0,1,0),T);
float2 uvDirection = float2(D.x,D.z);

这里采用了叉乘的方式矫正了VN空间关系导致的UV偏移方向反转。

使用得到的偏移量乘以偏移方向作为UVOffset，就能够产生比较令人信服的折射效果。

最后我们会得到一些虹膜纹理并不存在的UV（UV长度大于0.5），于是我们还要引入一张虹膜的遮罩mask让这些片段去采样巩膜纹理，以形成自然过渡的虹膜边缘。

瞳孔大小调节

我们需要对偏移后的虹膜UV做一定的remap处理达到这个效果。首先求UV到原点的长度，以及方向向量，然后经过一定对长度的处理得到一个新的长度，乘回方向向量就是我们要的原始UV数据。

float2 RemapUV(float2 uv)
{
    float lengthUV = length(uv);
    float2 uvNormalized = uv / lengthUV ;
    float newLength = 0;
    if (lengthUV  < _PupilRadius) 
    {
        newLength = lengthUV / _PupilRadius * 0.14;
    } else
    {
        newLength = (lengthUV - _PupilRadius) / (0.5 - _PupilRadius) * 0.36 + 0.14;
    }
    return uvNormalized * newLength;
}

上一段代码中的0.14是原始纹理中瞳孔的半径，这和我们采用的虹膜纹理有关，需要手动调节。

高光

这个没什么好说的，我目前只简单的在Base Pass和Add Pass中写了Phong高光公式。

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