关于水体渲染的一个简单Demo，大部分资源以及实现都来自Unity官方项目BoatAttack以及GPUI插件。本文主要讲解大致实现思路，想详细了解的同学可以下载工程查看（800MB左右）。
工程链接：
https://pan.baidu.com/share/init?surl=RQLLoVQhGAToZoCMvhe9QQ&pwd=mrzz
提取码：mrzz
需要的工具：Unity 2020，VS 2019
以下水体渲GPU实例化的演示：
水体主要实现的效果：
水体渲染效果1
水体渲染效果2
一、波浪
创建一个空物体，挂上脚本ASE_Water.cs。
1. LOD
波浪使用到的资源在Assets\ASE\Meshes\ASE_WaterMesh.fbx。
在Unity的Scene面板中的左上角，切换至网格渲染，该模型组如下所示，中间的网格顶点密集，边上的顶点稀疏。
水面网格
将该模型组添加到ASE_Water的Water Mesh列表中。
然后我们需要在Update中实时更改其位置，使其始终保持在摄像机朝向的下方。
更改水面位置
现在就得到了一个可以跟随相机的水面了。
2. 顶点动画
现在的水面是一个平面上的网格，需要对顶点进行偏移才能模拟波浪。
代码部分在Assets\ASE\Shaders\ASE_Water.shader 实现。
2.1 单个Sin函数
顶点高度函数：
Wi(x,y,t) = Aisin(Di(x,y)wi+tΦi)
Wi：修改后的顶点位置。输入为x,y坐标（水面顶点的x,z）以及时间t，输出为变换后的z坐标（水面顶点的y）
Ai：控制水的振幅
Di：波浪移动的方向，与(x,y)点乘得到某一方向上的分量
wi：频率，和波长互为倒数，控制水的波长
Φi：与t相乘代表波峰的移动距离，控制水的移动速度
单个Sin函数生成波浪
法线函数：
首先定义顶点坐标函数：
P(x,y,t) = (x,y,Wi(x,y,t)) ，其中Wi(x,y,t)即刚才的顶点高度。
一个顶点的法线怎么求得？
求出X和Y方向上的偏导B和T，再用B*T得到顶点的新法线N。
对X偏导，得到B：
同理，对Y偏导，得到T：
B*T得到N：
其中：
2.2 叠加Sin函数
顶点高度函数：
法线函数：
此时得到新的顶点坐标函数：
同理求得法线N：
其中：
多个Sin叠加
2.3 Gerstner叠加波浪
Sin函数的变种，可以使得波谷更加平坦，波峰更陡峭，更好地模拟波浪。
Sin函数中的P(x,y,t)只会修改其z值，而Gerstner中还需要将x,y坐标向波峰位置移动。
新的顶点坐标函数：
其中，x,y分别向各自的偏导方向移动，即波峰位置。
同理，求偏导得到B和T，再用B*T得到顶点的新法线N。
多个Gerstner函数叠加
到这里，波浪生成的部分就结束了。
二、折射
1. _CameraDepthTexture
该纹理由渲染管线在渲染完不透明物体之后生成，在Renderer中勾选OpaqueTexture即可。
2. UV扰动
对_CameraDepthTexture采样，不过需要添加一定的UV扰动（扰动值是根据顶点法线算出来的）。
此时可以得到效果如下：
注意到黄色框内的错误，在水面上的物体也进行了UV扰动，这并不应该，需要对其修正。在第4小节：修正中讲解。
3. WaterDepth
在Shader中定义二维向量WaterDepth，其中x存储了视角方向上的水的深度，y存储了水的竖直深度。
WaterDepth示意图
WaterDepth.x对_CameraDepthTexture采样，由采样得到的深度减去相机到水面顶点的距离。
WaterDepth.x
WaterDepth.y 添加一个垂直水平面的相机，生成深度纹理。
WaterDepth.y
最明显的差别就在于视角深度会随着观察角度改变，上面视角深度中的胶囊体靠近水面部分为红色，就是因为在这个角度观察，会得到较小的视角深度。
4. 修正
对_CameraDepthTexture进行UV扰动时，我们可以对WaterDepth.x进行同样的的扰动，得到如下效果：
WaterDepth.x（修正）
这时候，用扰动过后的WaterDepth.x判断该点是否在水平面以上。若是的话则取消扰动，直接用Screen UV进行采样。
此时，就能得到一个较好的折射效果：
折射（修正）
可以看到，树叶以及在水面上方的方块、胶囊体都没有产生扰动了。
5. SSS吸收
同时，随着水的WaterDepth.x变得越大，我们能从水中观察到的折射部分会越少。在Demo里，自定义了一条吸收色带。当WaterDepth.x较小时，我们能够透过水面看到水下的物体，对应了色带左边的白色；当WaterDepth.x较大时，我们基本看不到水下的物体，随影了色带右边的黑色。
模拟水对光线吸收
模拟水对光线的吸收
将上述水对光线的吸收与折射部分相乘，即可得到整个折射部分的效果：
折射+SSS（吸收）
三、反射
1. 翻转摄像机
水面反射物体的倒影，是将摄像机关于水平面做了一次翻转（位置、朝向都关于水平面对称）。对应到摄像机就是把红框内两个属性取反。
位置和朝向取反
下面试一试，将摄像机翻转后的效果：
此时若直接将反射纹理采样到水平面上，会出现问题：
直接翻转摄像机
是因为我们把摄像机进行翻转后，水下的物体也能被看到，跟着一起反射了。
2. 斜面裁剪
所以我们需要对其进行一次斜面裁剪，将水面以下的物体给裁剪掉：
左边为常规的裁剪面，右边为斜面裁剪
Unity里可以很方便地实现斜面裁剪，调用CameraSpacePlane()，设置好裁剪面即可。
设置裁剪面
现在看看斜面裁剪之后的水面：
反射（斜面裁剪）
3. UV扰动
同样根据顶点法线添加扰动，不过在Demo里还有一张水的表面贴图：
表面贴图
可以通过该贴图使得法线扰动更加细节，后续的焦散效果也用到了该贴图。
左图根据顶点法线进行扰动，右图结合了顶点法线和表面贴图
四、菲涅尔项
当观察者和反射平面的夹角不同时，其反射和折射所占比例各不相同，菲涅尔效应即描述该现象。
通过ViewDir（相机位置 - 水面顶点）和水面顶点法线相乘，可以得到夹角大小，然后进行幂运算可得到更好的效果。
菲涅尔项
可以看到，近处较暗，容易看到折射部分；远处较亮，容易看到反射部分。
将折射和反射按照菲涅尔项进行混合：
折射与反射混合
按菲涅尔项混合折射与反射
五、SSS散射
在折射部分，已经模拟了水对光的吸收，现在还需要模拟水对光线的散射（更好模拟出水体通透的效果）。散射部分的色带与吸收相反：
水对光线的散射，主要是模拟直接光照和环境光，当WaterDepth越大时，会有更多的光散射出来，而不是被吸收（吸收的部分是要从水下折射出来的光，散射是水上反射的光）。
模拟水对光线的散射
然后乘上环境光（环境光用的Unity提供的球谐采样）和直接光照：
SSS散射
现在将SSS散射和之前的效果叠加：
折射+反射+菲涅尔+SSS
六、高光反射
设置好水面的BRDF，然后将顶点法线，ViewDir和LightDir作为输入，即可得到高光反射部分：
高光反射
将其叠加到之前的效果上：
折射+反射+菲涅尔+SSS+高光
七、浮沫
1. 深度采样
靠近岸边以及靠近物体的地方都需要产生浮沫，所以需要结合WaterDepth的x和y分量。靠近岸边的的WaterDepth.y一般比较小，靠近中间悬浮物的WaterDepth.x一般比较小。两者取反之后，再取最大值，即可得到下图所示的浮沫产生区域。
浮沫区域
还有在波峰的位置也可以添加一点浮沫，采用了frac(sin(x))用以产生随机数，使得波峰位置产生的浮沫具有一定随机性（其实好像没有用）。
波峰浮沫区域
将浮沫纹理采样，结合浮沫产生的区域，即可得到下图所示的浮沫遮罩：
浮沫遮罩
2. 计算光照
Demo里的浮沫本身没有颜色，需要通过浮沫遮罩计算光照得到：
不同光照对应了不同颜色的浮沫
通过浮沫遮罩将水面和浮沫进行混合：
折射+反射+菲涅尔+SSS+高光+浮沫
最后可以加上一些后处理效果，调整场景中Post-process Volume的Volume组件即可。Bloom：
Bloom后处理
参考链接：
lionheart：BoatAttack_水效果分析2_水的细节作色效果（折射，SSS，高光）
https://github.com/Unity-Techno
这是侑虎科技第1272篇文章，感谢作者Shawoxo供稿。欢迎转发分享，未经作者授权请勿转载。如果您有任何独到的见解或者发现也欢迎联系我们，一起探讨。
网友评论