URP卡通水体渲染
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效果图
思路
复刻于：https://roystan.net/articles/toon-water.html
总体思路为：使用深度纹理来渐变水体颜色，使用噪声来营造漂浮的泡沫，使用法线纹理计算物体边缘来增加水面物体的泡沫。
需要注意的是，URP管线下，在Shader中的法线深度纹理是需要扩展URP的管线功能才会有的。
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我们通过顶点在屏幕空间中的位置与深度值来计算水深。
//--1.处理深度法线纹理 // 采样法线深度纹理（xy/w将坐标从正交投影转换为透视投影） half4 sample = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthNormalsTexture, sampler_CameraDepthNormalsTexture, i.screenPosition.xy / i.screenPosition.w); float depth; float3 normal; DecodeDepthNormal(sample, depth, normal); //输出深度，从深度法线纹理中获取到的深度亮度值相比直接从深度纹理不够高，*1000以提升亮度 depth = depth * 1000; // 水的表面和它背后的物体之间的距离，以单位表示。 float depthDifference = depth - i.vertex.w; return depthDifference; -
使用得到的水深深度值，插值最浅水面颜色和最深水面颜色。
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接下来来使用噪声纹理模拟漂浮的泡沫，其中，我们使用一个截止阈值来控制漂浮泡沫的多少。
//--3.通过噪声绘制泡沫 // 通过噪声纹理获取表面的波浪 float surfaceNoiseSample = SAMPLE_TEXTURE2D(_SurfaceNoise, sampler_SurfaceNoise, i.noiseUV).r; return waterColor + surfaceNoiseSample; -
利用深度纹理来插值漂浮泡沫的截止阈值，以此来模拟水面较浅的部分的泡沫
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使用一张RG通道的法线纹理和Vector.XY来模拟泡沫的浮动轨迹，来让水面动起来
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使用物体法线纹理与水面的法线纹理进行点击，来得到水体中物体与水平面的交界面。将该值叠加到控制泡沫的阈值来实现水面物体边缘的泡沫效果。
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我们改进Shader默认的透明度混合方案，来优化水面的泡沫透明度。
float4 alphaBlend(float4 top, float4 bottom) { float3 color = (top.rgb * top.a) + (bottom.rgb * (1 - top.a)); float alpha = top.a + bottom.a * (1 - top.a); return float4(color, alpha); } -
最后使用smoothstep函数来优化泡沫边缘的锯齿。
#define SMOOTHSTEP_AA 0.01 … float surfaceNoise = smoothstep(surfaceNoiseCutoff - SMOOTHSTEP_AA, surfaceNoiseCutoff + SMOOTHSTEP_AA, surfaceNoiseSample);
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完整代码
Shader "URP/ToonWater"
{
Properties
{
// 当水面最浅时，水的颜色
_DepthGradientShallow ("Depth Gradient Shallow", Color) = (0.325, 0.807, 0.971, 0.725)
// 当水面最深的时候，水的颜色
_DepthGradientDeep ("Depth Gradient Deep", Color) = (0.086, 0.407, 1, 0.749)
// 水面下的最大深度，低于该值水面颜色不在发送变换。
_DepthMaxDistance ("Depth Maximum Distance", Float) = 1
// 渲染物体相交于表面所产生的泡沫颜色。
_FoamColor ("Foam Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
// 用来产生波浪的噪声纹理。
_SurfaceNoise ("Surface Noise", 2D) = "white" { }
// 用于控制噪音滚动速度
_SurfaceNoiseScroll ("Surface Noise Scroll Amount", Vector) = (0.03, 0.03, 0, 0)
// 截止阈值，用于控制漂浮泡沫数量
_SurfaceNoiseCutoff ("Surface Noise Cutoff", Range(0, 1)) = 0.777
// 这个纹理的红色和绿色通道用来抵消噪声纹理，从而在波中产生失真。
_SurfaceDistortion ("Surface Distortion", 2D) = "white" { }
// 用这个值乘以失真。
_SurfaceDistortionAmount ("Surface Distortion Amount", Range(0, 1)) = 0.27
// 控制水面以下的距离将有助于渲染泡沫。
_FoamMaxDistance ("Foam Maximum Distance", Float) = 0.4
_FoamMinDistance ("Foam Minimum Distance", Float) = 0.04
///_FoamDistance ("Foam Distance", Float) = 0.4
}
SubShader
{
Tags { "RenderType" = "Opaque" "RenderPipeline" = "UniversalPipeline" }
HLSLINCLUDE
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
float4 _BaseMap_ST;
float4 _DepthGradientShallow;
float4 _DepthGradientDeep;
float4 _FoamColor;
float _DepthMaxDistance;
float _FoamMaxDistance;
float _FoamMinDistance;
float _SurfaceNoiseCutoff;
float _SurfaceDistortionAmount;
float2 _SurfaceNoiseScroll;
/// float _FoamDistance;
CBUFFER_END
ENDHLSL
Pass
{
Tags { "LightMode" = "UniversalForward" "Queue" = "Transparent" }
Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
HLSLPROGRAM
#define SMOOTHSTEP_AA 0.01
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/CommonMaterial.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
struct appdata
{
float4 vertex: POSITION;
float4 uv: TEXCOORD0;
float3 normal: NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 vertex: SV_POSITION;
float2 noiseUV: TEXCOORD0;
float2 distortUV: TEXCOORD1;
float4 screenPosition: TEXCOORD2;
float3 viewNormal: NORMAL;
};
TEXTURE2D(_SurfaceDistortion);
SAMPLER(sampler_SurfaceDistortion);
float4 _SurfaceNoise_ST;
// 水波噪声纹理
TEXTURE2D(_SurfaceNoise);
SAMPLER(sampler_SurfaceNoise);
float4 _SurfaceDistortion_ST;
// 声明深度法线纹理，注意该名称是指定的
TEXTURE2D(_CameraDepthNormalsTexture);
SAMPLER(sampler_CameraDepthNormalsTexture);
v2f vert(appdata v)
{
v2f o;
// 初始化变量
ZERO_INITIALIZE(v2f, o);
VertexPositionInputs vertexPositionInputs = GetVertexPositionInputs(v.vertex.xyz);
o.vertex = vertexPositionInputs.positionCS;
// 计算顶点在着色器中的屏幕空间位置
o.screenPosition = ComputeScreenPos(o.vertex);
// 泡沫噪声纹理
o.noiseUV = TRANSFORM_TEX(v.uv, _SurfaceNoise);
// 漂浮失真纹理
o.distortUV = TRANSFORM_TEX(v.uv, _SurfaceDistortion);
// 水面在视角空间的法线纹理
// o.viewNormal = COMPUTE_VIEW_NORMAL;
o.viewNormal = normalize(mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal));
return o;
}
// 解码深度
inline float DecodeFloatRG(float2 enc)
{
float2 kDecodeDot = float2(1.0, 1 / 255.0);
return dot(enc, kDecodeDot);
}
// 解码法线
float3 DecodeNormal(float4 enc)
{
float kScale = 1.7777;
float3 nn = enc.xyz * float3(2 * kScale, 2 * kScale, 0) + float3(-kScale, -kScale, 1);
float g = 2.0 / dot(nn.xyz, nn.xyz);
float3 n;
n.xy = g * nn.xy;
n.z = g - 1;
return n;
}
inline void DecodeDepthNormal(float4 enc, out float depth, out float3 normal)
{
depth = DecodeFloatRG(enc.zw);
normal = DecodeNormal(enc);
}
//混合两种颜色使用相同的算法，我们的着色器使用混合屏幕。这通常被称为“普通混合”，类似于Photoshop等软件如何混合两个图层。
float4 alphaBlend(float4 top, float4 bottom)
{
float3 color = (top.rgb * top.a) + (bottom.rgb * (1 - top.a));
float alpha = top.a + bottom.a * (1 - top.a);
return float4(color, alpha);
}
half4 frag(v2f i): SV_Target
{
//--1.处理深度法线纹理
// 采样法线深度纹理（xy/w将坐标从正交投影转换为透视投影）
half4 sample = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthNormalsTexture, sampler_CameraDepthNormalsTexture, i.screenPosition.xy / i.screenPosition.w);
float depth;
float3 normal;
DecodeDepthNormal(sample, depth, normal);
//输出深度，从深度法线纹理中获取到的深度亮度值相比直接从深度纹理不够高，*1000以提升亮度
depth = depth * 1000;
// 水的表面和它背后的物体之间的距离，以单位表示。
float depthDifference = depth - i.vertex.w;
//return depthDifference;
//--2.绘制颜色
// 根据深度插值水的颜色。
float waterDepthDifference01 = saturate(depthDifference / _DepthMaxDistance);
float4 waterColor = lerp(_DepthGradientShallow, _DepthGradientDeep, waterDepthDifference01);
// return waterColor;
//--3.通过噪声绘制泡沫
// 通过噪声纹理获取表面的波浪
// float surfaceNoiseSample = SAMPLE_TEXTURE2D(_SurfaceNoise, sampler_SurfaceNoise, i.noiseUV).r;
// return waterColor + surfaceNoiseSample;
//--6.通过偏移来做泡沫漂浮动画
/// float2 noiseUV = float2(i.noiseUV.x + _Time.y * _SurfaceNoiseScroll.x, i.noiseUV.y + _Time.y * _SurfaceNoiseScroll.y);
/// float surfaceNoiseSample = SAMPLE_TEXTURE2D(_SurfaceNoise, sampler_SurfaceNoise, noiseUV).r;
//--7.通过失真纹理加强泡沫左右漂浮效果
float2 distortSample = (SAMPLE_TEXTURE2D(_SurfaceDistortion, sampler_SurfaceDistortion, i.distortUV).xy * 2 - 1) * _SurfaceDistortionAmount;
// 通过噪声纹理获取表面的波浪
float2 noiseUV = float2((i.noiseUV.x + _Time.y * _SurfaceNoiseScroll.x) + distortSample.x, (i.noiseUV.y + _Time.y * _SurfaceNoiseScroll.y) + distortSample.y);
float surfaceNoiseSample = SAMPLE_TEXTURE2D(_SurfaceNoise, sampler_SurfaceNoise, noiseUV).r;
//--4.通过阈值来控制泡沫数量
/// 通过阈值来控制漂浮泡沫数量
/// float surfaceNoise = surfaceNoiseSample > _SurfaceNoiseCutoff ? 1: 0;
/// return waterColor + surfaceNoise;
//--6.通过比对法线来实现物体周围的泡沫
// 比对所有物体的法线与水平面法线来获取物体的边缘
float3 normalDot = saturate(dot(normal, i.viewNormal));
//return float4(normal,1);
float foamDistance = lerp(_FoamMaxDistance, _FoamMinDistance, normalDot.x);
float foamDepthDifference01 = saturate(depthDifference / foamDistance);
//--5.通过深度阈值来控制边缘泡沫
// 通过深度来控制泡沫数量，来绘制边缘泡沫
///float foamDepthDifference01 = saturate(depthDifference / _FoamDistance);
float surfaceNoiseCutoff = foamDepthDifference01 * _SurfaceNoiseCutoff;
// 通过阈值来控制漂浮泡沫数量
///float surfaceNoise = surfaceNoiseSample > surfaceNoiseCutoff ? 1: 0;
///return waterColor + surfaceNoise;
//--8.优化抗锯齿
float surfaceNoise = smoothstep(surfaceNoiseCutoff - SMOOTHSTEP_AA, surfaceNoiseCutoff + SMOOTHSTEP_AA, surfaceNoiseSample);
//--7.使用自定义混合方式改进泡沫颜色
float4 surfaceNoiseColor = _FoamColor;
surfaceNoiseColor.a *= surfaceNoise;
return alphaBlend(surfaceNoiseColor, waterColor);
}
ENDHLSL
}
}
}