[Unity][翻译]云朵Shader步骤分解

人工翻译自Alexandre Stroukoff的文章《CLOUDS SHADER BREAKDOWN》，原文链接：http://astroukoff.blogspot.com/2019/09/clouds-shader-breakdown.html

在正文之前，先说下作者的制作过程，大致分为三步：

1. Houdini中创建云朵网格，通过“clouds”节点创建粗糙的云朵形状，生成低面数网格，并平滑法线。
2. 导入3ds Max，烘焙天光与平行光到顶点色，然后模糊。
3. 导入Unity，顶部加上滚动的云朵纹理与更多细节。

从作者的介绍来看，第一步目的是创建云朵模型，第二步目的是烘焙光照，理论上也可以用别的软件来做，并且提前烘焙光照意味着云朵在引擎中是静态不受光照的，这点需要注意，文章末尾也有关于动态光照的说明。

前两步作者只是简单介绍了一下，并且视频很糊，就不贴了，以下是正片，文章中的引用段是我的注释。

正片

原文：http://astroukoff.blogspot.com/2019/09/clouds-shader-breakdown.html
作者：Alexandre Stroukoff

我根据ThatGameCompany的游戏《Sky 光遇》制作了一个云朵Shader，本篇文章是关于它的一个小小的步骤分解。

效果中作用最大的是云朵Mesh本身，其次是烘焙光照，我使用Houdini + 3ds Max来生成它们。在这篇文章中我仅注重于介绍Shader部分，Shader使用Amplify Shader Editor(ASE)制作。

第一步连接Vertex Color（顶点色）到Emission（自发光），为了显示先前（在3ds Max中）烘焙的光照，我使用了一个0.454545的指数来校正顶点色（因为sRGB/Linear/Gamma叭啦叭啦）。

这里的0.454545幂运算将Vertex Color从线性空间变换到了Gamma0.45空间（sRGB），作者的工程设置中颜色空间为Gamma，这种情况下Unity不会帮我们做这个校正，所以需要手动做一下，如果你的颜色空间是Linear就不需要了。

大量的三角面能带来更丝滑的移位效果，如果性能上吃得消，Tesselation（曲面细分）是个好办法，在左侧面板勾上“tesselation”选项，选择distance based模式。

调整距离与tesselation参数直到你和你的电脑都满意为止，这里调一个非常近的距离就不错。

现在好玩的来了，我加了一个Noise Generator（噪声生成器），这个节点很方便，它可以根据世界位置生成3D噪声。使用3D噪声比较吃性能，你可以换成Simplex（单形噪声），我很确定整个效果都可以用噪声纹理和UV搞定。我用世界坐标乘以一个浮点数，用作噪声节点的“Size”输入，这个浮点数用来控制噪声的tiling。
并且从-1/1 映射到 0/1，避免出现负值。
在Debug输入中加入了这个（指上面的浮点数）。

通过这个浮点数调整tiling的效果

虽然tiling一般指纹理的平铺，但这里控制的是噪声纹理的大小，参数的命名也是“3dNoise Size A”。

现在，不直接使用World Position，而是将它乘以一个Vector3("NoiseScaleA")，这样可以对噪声做非统一缩放，非常方便！（就像对Mesh进行缩放一样，但你只是缩放输入位置）。这里我沿Z轴对噪声进行拉伸示范一下效果。

是时候加点移动了，很直接，在我将缩放后的世界坐标连接到噪声之前，我增加一个Vector3，令时间与它相乘，这样就可以控制噪声移动的方向。

改变噪声方向的效果（因为是3D噪声，所以看起来不错，用2D噪声比较难做到）

现在将它连到Local Vertex Offset，并与两个东西相乘：

1. 一个范围在0-1的浮点数，用来调整强度；
2. 一个Vector3(0,1,0)，用来强制让噪声只在世界Y轴上移位，只是这样看起来更不错，你也可以使用Mesh的法线。

调整新的参数，Speed（噪声速度），Size（噪声大小），Strength（移位力度）

我决定把噪声重复3次。复制所有参数，并且把它们加在一起。这让我想起了以前做过的一个项目（卡通火山碎屑噪声）。思路很简单：对于每个噪声，将力度降低一半，双倍tiling，双倍速度，然后再调整！

每个噪声之间的关系很重要，这里我只调整Strength（力度），单独调整噪声很容易（将除当前噪声外的所有力度调为0），然后调整力度。

近距离观察噪声是如何融合在一起的

对于渐变的边缘，使用透明材质和Depth Fade节点简单设置。

这一部分比较取巧（hack），但它增添了许多细节。大体上来说我就是添加了一个黑白的云朵纹理，并使用Triplanar Mapping（三面映射）采样，为了让Triplanar Mapping动起来，我使用了来自噪声C的修改后的世界位置（看下面的图1），并且我让所有东西与噪声A相乘来“抹去”这里那里的纹理（看下面的图2）。

图1 来自噪声C的世界位置

图2 噪声A

我使用了Register/Get Local Var节点，避免我的连线乱得像兜里打结的耳机线，ASE的这个功能真是太棒了。

这是云朵纹理

ASE内置了Triplanar Sampler节点，与简单的纹理采样相比，Tri-Planar Mapping在模型陡峭部分较多、UV不规范的情况下很有用。

你可以看到加入云朵纹理后的效果，真系好靓！

仓库地址： https://github.com/AlexStrook/UnlitClouds

备注：

• 这全都是静态的、烘焙好的（指光照），但我很确定你可以把它做成受动态光照的。你可能需要重新构造移位所需要的法线，你可以用这些节点：

• 我本来还想加上Flowmap，但没时间做了。Flowmap可以帮助控制云朵材质平铺的方向与噪声的滚动。
• 我之前看到另一个很有意思的技术， 视频链接(约10分钟)，他们通过微调广告牌（billboard）位置实现了战地1中的云朵。看起来相当不错，但我猜他们在幕后肯定用了什么疯狂的魔法来达到这种效果...当然说不定你也能做到！
• ThatGameCompany的Mike Lester说他们的做法使用了光线步进（Raymarching） 链接