Unity模拟薄膜干涉效果

Unity制作薄膜干涉效果，色彩斑斓的黑色石头

  大家好，我是阿赵。
  这次来做一个模拟薄膜干涉的彩色效果，Shader是使用ASE来连接，也算是ASE做复杂一点的效果的一个例子吧。

一、什么是薄膜干涉

  以下解释来源于百度百科：假设照射一束光波于薄膜，由于折射率不同，光波会被薄膜的上界面与下界面分别反射，因相互干涉而形成新的光波，这现象称为薄膜干涉。
  比如这种肥皂泡，在表面，会看到很多彩色的效果，这就是薄膜干涉想效果了。

二、模拟薄膜干涉效果的思路

  从原理来说，这个薄膜干涉的效果是通过多次不同折射率反射的光波叠加得到的，如果真的用这个算法去实现，消耗有点大。不过作为游戏里面的美术效果，有很多方法可以模拟的。
  首先需要分析一下，薄膜干涉的效果是怎样形成的。
1、由于是薄膜的上下界面分别反射的效果，所以按道理来说，应该有2个环境投影
2、环境投影过来的色彩，经过了叠加置换，形成了五彩斑斓的效果。
  知道了这两个效果之后，就可以逐个去模拟了。

1、先看第一个效果，2个环境投影。

  如果要真的反射或者折射场景本身的东西作为效果，那样消耗很大。但之前已经多次用过的一种手段，可以帮助我们模拟假反射效果，那就是Matcap了。
所以要实现2个环境投影的效果，实际上我们可以通过添加2张Matcap贴图来叠加实现

2、色彩斑斓的效果

  想实现多种颜色的叠加，除了真的算出来以外，还有一种更简单的办法，就是我们直接指定一张色彩渐变的图，作为多种色彩的采样图，然后再根据一定的规则去计算UV，就能得到一种假的色彩斑斓的效果。

三、在Unity里面实现模拟薄膜干涉

  既然上面已经有了思路，那么下面就比较快的用ASE节点连接一下，实现这种效果。
  首先，我们要实现的是整个表面的薄膜干涉：
  这里有一个甲虫的模型，赋予上漫反射贴图和法线贴图后的效果是这样：

  现在的ASE连线是这样：
  首先漫反射贴图和颜色的控制，是基本固定下来了，所以给他注册一个变量

  然后简单的把漫反射颜色和法线贴图连接一下给输出

  这是基础效果，接下来开始逐个效果加进去，让他形成最终的效果：

1、2层Matcap效果的实现：

  虽然是两层Matcap，但Matcap采样的UV是一样的，所以可以先算出Matcap的UV：

  为了能有一个变量同时控制2层Matcap的强度，所以先注册了一个变量

  接下来很简单，拿刚才算出的UV采样2张Matcap贴图，然后乘以强度控制的变量，最后叠加在一起就行了。

  现在我们已经有了Matcap假环境反射效果，所以可以和原来的漫反射颜色叠加，由于法线贴图已经在计算Matcap的时候使用过了，这里其实可以不用再赋予法线贴图给输出：

  现在甲虫的效果是这样的：

  现在反射了2种环境：

2、做色彩斑斓的效果

  上面分析原理的时候说过，我们是模拟效果，所以是用一张彩色渐变图来实现的，比如这样：

  接下来，通过特殊的UV计算，对这张彩色渐变图进行采样：

  想达到的效果是通过世界法线方向和观察方向做点乘（NdotV，和做轮廓光的计算一样），然后在作为UV采样彩色渐变图，让这张渐变图有一种跟随这法线方向从中间到四周渐变彩色的效果。
  由于是要改变漫反射的颜色，所以把求得的ramVal和漫反射颜色相乘，然后再加上Matcap的颜色：

  再根据实际情况调整一下之前Matcap的强度控制值，就能得到效果：

  调整参数，可以让颜色变化

  到这一步，这个效果差不多是做完了，可以先看看ASE生成的代码，用ASE打开，可以看看节点的连接情况：

// Made with Amplify Shader Editor
// Available at the Unity Asset Store - http://u3d.as/y3X 
Shader "azhao/ThinFilm"
{Properties{_diffuseTex1("_diffuseTex", 2D) = "white" {}_diffuseCol1("diffuseCol", Color) = (0.5377358,0.5377358,0.5377358,0)_matCapTex1("_matCapTex", 2D) = "white" {}_matCap2Tex1("_matCap2Tex", 2D) = "white" {}_matcapLen1("_matcapLen", Float) = 1_matcap2Len1("_matcap2Len", Float) = 1_matcapStr1("matcapStr", Range( 0 , 1)) = 0[Normal]_normalTex2("_normalTex", 2D) = "bump" {}_ramTex1("_ramTex", 2D) = "white" {}_min1("min", Range( 0 , 1)) = 0_max1("max", Range( 0 , 1)) = 1[HideInInspector] _texcoord( "", 2D ) = "white" {}[HideInInspector] __dirty( "", Int ) = 1}SubShader{Tags{ "RenderType" = "Opaque"  "Queue" = "Geometry+0" }Cull BackCGINCLUDE#include "UnityShaderVariables.cginc"#include "UnityPBSLighting.cginc"#include "Lighting.cginc"#pragma target 3.0#ifdef UNITY_PASS_SHADOWCASTER#undef INTERNAL_DATA#undef WorldReflectionVector#undef WorldNormalVector#define INTERNAL_DATA half3 internalSurfaceTtoW0; half3 internalSurfaceTtoW1; half3 internalSurfaceTtoW2;#define WorldReflectionVector(data,normal) reflect (data.worldRefl, half3(dot(data.internalSurfaceTtoW0,normal), dot(data.internalSurfaceTtoW1,normal), dot(data.internalSurfaceTtoW2,normal)))#define WorldNormalVector(data,normal) half3(dot(data.internalSurfaceTtoW0,normal), dot(data.internalSurfaceTtoW1,normal), dot(data.internalSurfaceTtoW2,normal))#endifstruct Input{float2 uv_texcoord;float3 worldNormal;INTERNAL_DATAfloat3 worldPos;};uniform sampler2D _diffuseTex1;uniform float4 _diffuseTex1_ST;uniform float4 _diffuseCol1;uniform sampler2D _ramTex1;uniform float _min1;uniform float _max1;uniform sampler2D _matCap2Tex1;uniform sampler2D _normalTex2;uniform float4 _normalTex2_ST;uniform float _matcap2Len1;uniform float _matcapStr1;uniform sampler2D _matCapTex1;uniform float _matcapLen1;void surf( Input i , inout SurfaceOutputStandard o ){o.Normal = float3(0,0,1);float2 uv_diffuseTex1 = i.uv_texcoord * _diffuseTex1_ST.xy + _diffuseTex1_ST.zw;float4 diffuseCol5 = ( tex2D( _diffuseTex1, uv_diffuseTex1 ) * _diffuseCol1 );float3 ase_worldNormal = WorldNormalVector( i, float3( 0, 0, 1 ) );float3 ase_worldPos = i.worldPos;float3 ase_worldViewDir = normalize( UnityWorldSpaceViewDir( ase_worldPos ) );float dotResult44 = dot( ase_worldNormal , ase_worldViewDir );float clampResult48 = clamp( ( 1.0 - dotResult44 ) , _min1 , _max1 );float2 temp_cast_0 = (clampResult48).xx;float4 ramVal50 = tex2D( _ramTex1, temp_cast_0 );float2 uv_normalTex2 = i.uv_texcoord * _normalTex2_ST.xy + _normalTex2_ST.zw;float2 matcapUV38 = ( ( (mul( float4( (WorldNormalVector( i , UnpackNormal( tex2D( _normalTex2, uv_normalTex2 ) ) )) , 0.0 ), UNITY_MATRIX_V ).xyz).xy + 1.0 ) * 0.5 );float matcapStrength27 = _matcapStr1;float4 matcapCol26 = ( ( tex2D( _matCap2Tex1, matcapUV38 ) * ( _matcap2Len1 * matcapStrength27 ) ) + ( tex2D( _matCapTex1, matcapUV38 ) * ( _matcapLen1 * matcapStrength27 ) ) );o.Albedo = ( ( diffuseCol5 * ramVal50 ) + matcapCol26 ).rgb;o.Alpha = 1;}ENDCGCGPROGRAM#pragma surface surf Standard keepalpha fullforwardshadows ENDCGPass{Name "ShadowCaster"Tags{ "LightMode" = "ShadowCaster" }ZWrite OnCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma target 3.0#pragma multi_compile_shadowcaster#pragma multi_compile UNITY_PASS_SHADOWCASTER#pragma skip_variants FOG_LINEAR FOG_EXP FOG_EXP2#include "HLSLSupport.cginc"#if ( SHADER_API_D3D11 || SHADER_API_GLCORE || SHADER_API_GLES || SHADER_API_GLES3 || SHADER_API_METAL || SHADER_API_VULKAN )#define CAN_SKIP_VPOS#endif#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"#include "UnityPBSLighting.cginc"struct v2f{V2F_SHADOW_CASTER;float2 customPack1 : TEXCOORD1;float4 tSpace0 : TEXCOORD2;float4 tSpace1 : TEXCOORD3;float4 tSpace2 : TEXCOORD4;UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_IDUNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO};v2f vert( appdata_full v ){v2f o;UNITY_SETUP_INSTANCE_ID( v );UNITY_INITIALIZE_OUTPUT( v2f, o );UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO( o );UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID( v, o );Input customInputData;float3 worldPos = mul( unity_ObjectToWorld, v.vertex ).xyz;half3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal( v.normal );half3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir( v.tangent.xyz );half tangentSign = v.tangent.w * unity_WorldTransformParams.w;half3 worldBinormal = cross( worldNormal, worldTangent ) * tangentSign;o.tSpace0 = float4( worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x, worldPos.x );o.tSpace1 = float4( worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y, worldPos.y );o.tSpace2 = float4( worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z, worldPos.z );o.customPack1.xy = customInputData.uv_texcoord;o.customPack1.xy = v.texcoord;TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET( o )return o;}half4 frag( v2f IN#if !defined( CAN_SKIP_VPOS ), UNITY_VPOS_TYPE vpos : VPOS#endif) : SV_Target{UNITY_SETUP_INSTANCE_ID( IN );Input surfIN;UNITY_INITIALIZE_OUTPUT( Input, surfIN );surfIN.uv_texcoord = IN.customPack1.xy;float3 worldPos = float3( IN.tSpace0.w, IN.tSpace1.w, IN.tSpace2.w );half3 worldViewDir = normalize( UnityWorldSpaceViewDir( worldPos ) );surfIN.worldPos = worldPos;surfIN.worldNormal = float3( IN.tSpace0.z, IN.tSpace1.z, IN.tSpace2.z );surfIN.internalSurfaceTtoW0 = IN.tSpace0.xyz;surfIN.internalSurfaceTtoW1 = IN.tSpace1.xyz;surfIN.internalSurfaceTtoW2 = IN.tSpace2.xyz;SurfaceOutputStandard o;UNITY_INITIALIZE_OUTPUT( SurfaceOutputStandard, o )surf( surfIN, o );#if defined( CAN_SKIP_VPOS )float2 vpos = IN.pos;#endifSHADOW_CASTER_FRAGMENT( IN )}ENDCG}}Fallback "Diffuse"CustomEditor "ASEMaterialInspector"
}
/*ASEBEGIN
Version=18500
522;578;1920;715;1433.327;283.2714;1.3;True;True
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3、表面凹凸的材质薄膜干涉

  刚才做的甲虫，表面算是比较的光滑，整体的出现薄膜干涉也是很正常的。文章开头有一个视频，上面这块金属，是不应该整体出现薄膜干涉的，他只是在高光强烈的地方，产生了色彩斑斓的效果。
  这个效果我就不给源码了，大概给一下思路，各位可以自己试试：
1、彩色贴图采样的ramVal不要和漫反射直接相乘，而是先和Matcap的结果相乘，这样就不会在整个模型产生彩色，二只有在Matcap反射强烈的地方产生彩色
2、通过一个参数来控制Matcap和ramVal之间的互补关系
大概的连线是这样的：

  这里我是连到Emission里面，这个通道是自发光，所以最后得到的颜色会稍微更亮一些，如果连到漫反射的albedo通道，其实也是可以的，颜色就稍微没那么亮。