Unity Shader 立方体纹理的菲涅耳反射效果

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效果：

菲涅耳反射，注意模型边界处的反射

原理：

菲涅耳反射描述了一种光学现象，即当光线照射到物体表面上时，一部分发生反射，一部分进入物体内部，发生折射或散射。被反射的光和入射光之间存在一定的比率关系，这个比率关系可以通过菲涅耳等式进行计算。

一个经常使用的例子是，当你站在湖边，直接低头看脚边的水面时，你会发现水几乎是透明的，你可以直接看到水底的小鱼和石子。但是，当你抬头看远处的水面时，会发现几乎看不到水下的情景，而只能看到水面反射的环境。这就是所谓的菲涅耳效果，几乎任何物体都或多或少包含了菲涅耳效果。

真实世界的菲涅耳等式是非常复杂的，但在实时渲染中，我们通常会使用一些近似公式来计算。其中一个著名的近似公式就是Schlick菲涅耳近似等式：

其中是一个反射系数，用于控制菲涅尔反射的强度，v是视角方向，n是表面法线。

另一个比较广泛的等式是Empricial菲涅耳近似等式:

其中是控制项。

shader代码：

// 菲涅尔反射
Shader "Custom/Fresnel"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _FresnelScale ("Fresnel Scale", Range(0, 1)) = 0.5 // 菲涅尔反射强度
        _Cubemap ("Reflection Cubemap", Cube) = "_Skybox" { }// 立方体纹理
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry" }
        
        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            
            CGPROGRAM

            // 编译指令，保证在pass中得到正确的光照变量
            #pragma multi_compile_fwdbase
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "Lighting.cginc"
            #include "AutoLight.cginc"
            
            fixed4 _Color;
            fixed _FresnelScale;
            samplerCUBE _Cubemap;
            
            // 应用传递给顶点着色器的数据
            struct a2v
            {
                float4 vertex: POSITION; // 语义：顶点坐标
                float3 normal: NORMAL; // 语义：法线
            };
            
            // 顶点着色器传递给片元着色器的数据
            struct v2f
            {
                float4 pos: SV_POSITION; // 语义：裁剪空间顶点坐标
                float3 worldPos: TEXCOORD0;
                fixed3 worldNormal: TEXCOORD1;
                fixed3 worldViewDir: TEXCOORD2;
                fixed3 worldRefl: TEXCOORD3;
                SHADOW_COORDS(4) // 声明一个用于对阴影纹理采样的坐标 (这个宏参数需要是下一个可用的插值寄存器的索引值，这里是4)
            };
            
            // 顶点着色器函数
            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;

                // 将顶点坐标从模型空间变换到裁剪空间
                // 等价于o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                
                // 将顶点坐标从模型空间变换到世界空间
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                
                // 将法线从模型空间变换到世界空间
                // 等价于o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_ObjectToWorld);
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                
                // 观察向量
                o.worldViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(o.worldPos);
                
                // 反射向量
                o.worldRefl = reflect(-o.worldViewDir, o.worldNormal);
                
                // 计算声明的阴影纹理坐标
                TRANSFER_SHADOW(o);
                
                return o;
            }
            
            // 片元着色器
            fixed4 frag(v2f i): SV_Target
            {
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                fixed3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);
                // 单位光向量
                fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));

                // 反射，对立方体纹理进行采样，此处并没有对worldRefl进行归一化，因为texCUBE参数仅仅只需要反射的方向
                fixed3 reflection = texCUBE(_Cubemap, i.worldRefl).rgb;
                
                // 菲涅尔反射
                fixed fresnel = _FresnelScale + (1 - _FresnelScale) * pow(1 - dot(worldViewDir, worldNormal), 5);
                
                // 漫反射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
                
                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                
                // 计算光照衰减和阴影
                UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);
                
                fixed3 color = ambient + lerp(diffuse, reflection, saturate(fresnel)) * atten;
                
                return fixed4(color, 1.0);
            }
            
            ENDCG

        }
    }
    FallBack "Reflective/VertexLit"
}