Unity中URP下实现水体（水面反射）

---

前言

在上篇文章中，我们实现了水体的高光反射效果。

• Unity中URP下实现水体（水面高光）

在这篇文章中，我们来实现水体的反射效果。

---

一、原理

以下两个方法，对反射纹理采样时，都是使用顶点的反射向量进行采样的。

1、法一：使用立方体纹理 CubeMap，作为反射纹理使用

• Unity中Shader立方体纹理Cubemap

2、法二：使用反射探针生成环境反射图，所谓反射的采样纹理

• Unity中Shader反射环境

---

二、实现水面反射

1、定义和申明CubeMap

• 在属性面板定义一个 Cube 传入反射纹理

_ReflectionTex(“ReflectionTex”,Cube) = “white”{}

• 在Pass中，申明纹理和采样器（注意：反射纹理为 TEXTURECUBE 类型）

TEXTURECUBE(_ReflectionTex);SAMPLER(sampler_ReflectionTex);

• 我使用的CubeMap如下

2、反射向量需要什么

计算反射向量，需要知道 法线向量 $\vec{N}$ 和 摄像机指向顶点的入射向量 $-\vec{V}$

3、计算$\vec{N}$

得到世界空间下的 法线坐标 和 法线纹理 线性过渡的效果

• 在顶点着色器中，转化得到世界空间下的法线坐标

o.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(v.normalOS);

• 在属性面板传入，需要使用的法线纹理

_NormalTex(“NormalTex”,2D) = “white”{}

• 定义、申明控制过渡的值

[PowerSlider(3)]_NormalIntensity(“NormalIntensity”,Range(0,1)) = 0.5

• 得到线性过渡的法线信息

half4 N = lerp(half4(i.normalWS,1),normalize(normalTex),_NormalIntensity);

4、计算$\vec{V}$

half3 V = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.positionWS.xyz);

5、计算反射向量$\vec{R}$

half3 reflectionUV = reflect(-V,N.xyz);

6、对CubeMap进行纹理采样

注意：

1. 使用的采样方式为SAMPLE_TEXTURECUBE
2. 采样UV为：反射向量

half4 reflectionTex = SAMPLE_TEXTURECUBE(_ReflectionTex,sampler_ReflectionTex,reflectionUV);

7、模拟出菲涅尔效果（近处反射弱，远处反射强）

• fresnel = 1 - dot(N,V)

half fresnel = 1 - saturate(dot(i.normalWS,V));

• 用 fresmel 和 reflectionTex 相乘得出拟真的反射效果

half4 reflection = reflectionTex * fresnel;

8、环境反射效果 与 高光反射效果 相乘，得到只有在高光处反射环境的效果

specular * reflection

9、用该效果与上篇文章的结果相加得出最终效果

half4 col = (foamColor + waterColor) * cameraOpaqueTex + (specular * reflection);

---

三、最终代码

//水的深度
Shader "MyShader/URP/P4_8"
{Properties {[Header(Base)]_WaterColor1("WaterColor1",Color) = (1,1,1,1)_WaterColor2("WaterColor2",Color) = (1,1,1,1)[PowerSlider(3)]_WaterSpeed("WaterSpeed",Range(0,1)) = 0.1[Header(Foam)]_FoamTex("FoamTex",2D) = "white"{} _FoamColor("FoamColor",Color) = (1,1,1,1)_FoamRange("FoamRange",Range(0,5)) = 1_FoamNoise("FoamNoise",Range(0,3)) = 1[Header(Distort)]_NormalTex("NormalTex",2D) = "white"{}[PowerSlider(3)]_Distort("Distort",Range(0,0.3)) = 0[Header(Specular)]_SpecularColor("Specular Color",Color) = (1,1,1,1)[PowerSlider(3)]_SpecularIntensity("Specular Intensity",Range(0,1)) = 0.6_Smoothness("Smoothness",Range(0,10)) = 10[Header(Reflection)]_ReflectionTex("ReflectionTex",Cube) = "white"{}[PowerSlider(3)]_NormalIntensity("NormalIntensity",Range(0,1)) = 0.5}SubShader{Tags{//告诉引擎，该Shader只用于 URP 渲染管线"RenderPipeline"="UniversalPipeline"//渲染类型"RenderType"="Transparent"//渲染队列"Queue"="Transparent"}//Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlphaZWrite OffPass{HLSLPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag// Pragmas#pragma target 2.0// Includes#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Color.hlsl"#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Input.hlsl"#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"CBUFFER_START(UnityPerMaterial)half4 _WaterColor1;half4 _WaterColor2;half _WaterSpeed;half4 _FoamColor;half _FoamRange;half _FoamNoise;half4 _FoamTex_ST;half _Distort;half4 _NormalTex_ST;half4 _SpecularColor;half _SpecularIntensity;half _Smoothness;half _NormalIntensity;CBUFFER_ENDTEXTURE2D(_CameraDepthTexture);SAMPLER(sampler_CameraDepthTexture);TEXTURE2D(_FoamTex);SAMPLER(sampler_FoamTex);TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture);SAMPLER(sampler_CameraOpaqueTexture);TEXTURE2D(_NormalTex);SAMPLER(sampler_NormalTex);TEXTURECUBE(_ReflectionTex);SAMPLER(sampler_ReflectionTex);//struct appdata//顶点着色器的输入struct Attributes{float3 positionOS : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;half3 normalOS : NORMAL;};//struct v2f//片元着色器的输入struct Varyings{float4 positionCS : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;//foamUVfloat4 screenPos : TEXCOORD1;float3 positionVS : TEXCOORD2;float3 positionWS : TEXCOORD3;float3 normalWS : TEXCOORD4;float4 normalUV : TEXCOORD5;};//v2f vert(Attributes v)//顶点着色器Varyings vert(Attributes v){Varyings o = (Varyings)0;o.positionWS = TransformObjectToWorld(v.positionOS);o.positionVS = TransformWorldToView(o.positionWS);o.positionCS = TransformWViewToHClip(o.positionVS);o.screenPos = ComputeScreenPos(o.positionCS);//计算得到泡沫纹理采样需要的顶点世界空间下的坐标值的流动效果o.uv += o.positionWS.xz *_FoamTex_ST.xy + _Time.y * _WaterSpeed;//计算得到水下扭曲纹理的流动UVo.normalUV.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv,_NormalTex) + _Time.y * _WaterSpeed;o.normalUV.zw = TRANSFORM_TEX(v.uv,_NormalTex) + _Time.y * _WaterSpeed * half2(-1.1,1.3);o.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(v.normalOS);return o;}//fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET//片元着色器half4 frag(Varyings i) : SV_TARGET{//1、水的深度//获取屏幕空间下的 UV 坐标float2 screenUV = i.positionCS.xy / _ScreenParams.xy;half depthTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraDepthTexture,sampler_CameraDepthTexture,screenUV).x;//深度图转化到观察空间下float depthScene = LinearEyeDepth(depthTex,_ZBufferParams);//获取水面模型顶点在观察空间下的Z值（可以在顶点着色器中，对其直接进行转化得到顶点观察空间下的坐标）float4 depthWater = depthScene + i.positionVS.z;//2、水的颜色，线性插值得到水 和 接触物体的水的 颜色的过度half4 waterColor = lerp(_WaterColor1,_WaterColor2,depthWater);//3、水面泡沫//对泡沫纹理进行采样(这里使用顶点世界空间下的坐标进行纹理采样，防止水体缩放影响泡沫的平铺和重复方式)half4 foamTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_FoamTex,sampler_FoamTex,i.uv.xy);foamTex = pow(abs(foamTex),_FoamNoise);//这里增加一个调整深度图范围的功能half4 foamRange = depthWater * _FoamRange;//使用泡沫纹理 和 泡沫范围 比较得到泡沫遮罩half4 foamMask = step(foamRange,foamTex);//给泡沫加上颜色half4 foamColor = foamMask * _FoamColor;//4、水下的扭曲half4 normalTex1 = SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalTex,sampler_NormalTex,i.normalUV.xy);half4 normalTex2 = SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalTex,sampler_NormalTex,i.normalUV.zw);half4 normalTex = normalTex1 * normalTex2;float2 distortUV = lerp(screenUV,normalTex.xy,_Distort);half4 cameraOpaqueTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture,sampler_CameraOpaqueTexture,distortUV);//5、水的高光//Specular = SpecularColor * Ks * pow(max(0,dot(N,H)), Shininess)Light light = GetMainLight();half3 L = light.direction;half3 V = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.positionWS.xyz);//修改法线实现，波光粼粼的效果half4 N = lerp(half4(i.normalWS,1),normalize(normalTex),_NormalIntensity);half3 H = normalize(L + V);half4 specular = _SpecularColor * _SpecularIntensity * pow(max(0,dot(N.xyz,H)),_Smoothness);//水的反射half3 reflectionUV = reflect(-V,N.xyz);half4 reflectionTex = SAMPLE_TEXTURECUBE(_ReflectionTex,sampler_ReflectionTex,reflectionUV);half fresnel = 1 - saturate(dot(i.normalWS,V));half4 reflection = reflectionTex * fresnel;//水的焦散half4 col = (foamColor + waterColor) * cameraOpaqueTex + (specular * reflection);return col;}ENDHLSL}}FallBack "Hidden/Shader Graph/FallbackError"
}