Unity着色器教程积雪效果

12月

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为游戏中的所有纹理都加上雪花可能需要花费大量时间。本文将展示在Unity中如何创建Image Effect（屏幕空间着色器）来快速改变场景的季节。

使用前后效果图对比如下：

工作原理

上面两张图显示的是同一个场景。它们之间唯一的区别就是第二张图启用了相机上的雪花特效。实现该效果无需对场景的贴图做任何更改。这是什么原理呢？

其实原理非常简单。就是假定所有法线朝上的像素点（如：草，地板等）都需要覆盖雪花。同样，法线朝着方向的像素点(如：松树，墙)，则需要在雪花纹理和原始纹理之间进行平缓过渡。

获取所需数据

实现上面的雪花效果有以下准备事项：
将渲染路径设置为Deferred（延迟渲染）将Camera.depthTextureMode设置为DepthNormals

由于第二项可以很方便地由屏幕特效脚本进行设置，所以如果游戏已经使用了前向渲染路径（Forward Rendering Path）时，第一项很容易出问题。

将Camera.depthTextureMode设置为DepthNormals后可以读取屏幕深度（像素与相机之间的距离）和法线（所朝的方向）。

创建一个屏幕特效（Image Effect）由至少一个脚本和一个着色器构成。通常这个着色器不是用来渲染3D物体的，而是根据给定的输入数据渲染一个全屏的图像。在本文的例子中，输入数据就是一张相机渲染的结果图片以及一些用户设置的属性。

[C#] 纯文本查看复制代码using UnityEngine; using System.Collections; [ExecuteInEditMode] public class ScreenSpaceSnow : MonoBehaviour { public Texture2D SnowTexture; public Color SnowColor = Color.white; public float SnowTextureScale = 0.1f; [Range(0, 1)] public float BottomThreshold = 0f; [Range(0, 1)] public float TopThreshold = 1f; private Material _material; void OnEnable() { // dynamically create a material that will use our shader _material = new Material(Shader.Find(TKoU/ScreenSpaceSnow)); // tell the camera to render depth and normals GetComponent<Camera>().depthTextureMode = DepthTextureMode.DepthNormals; } void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest) { // set shader properties _material.SetMatrix(_CamToWorld, GetComponent<Camera>().cameraToWorldMatrix); _material.SetColor(_SnowColor, SnowColor); _material.SetFloat(_BottomThreshold, BottomThreshold); _material.SetFloat(_TopThreshold, TopThreshold); _material.SetTexture(_SnowTex, SnowTexture); _material.SetFloat(_SnowTexScale, SnowTextureScale); // execute the shader on input texture (src) and write to output (dest) Graphics.Blit(src, dest, _material); } }

这里只是基础的设置，还不能生成雪花。有趣的事情还在后面。

着色器

雪花着色器是无光照着色器（unlit shader），因为屏幕空间是没有光照的，所以也不会用到任何光照信息。基础模板如下：

[C#] 纯文本查看复制代码Shader TKoU/ScreenSpaceSnow { Properties { _MainTex (Texture, 2D) = white {} } SubShader { // No culling or depth Cull Off ZWrite Off ZTest Always Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include UnityCG.cginc struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; }; struct v2f { float2 uv : TEXCOORD0; float4 vertex : SV_POSITION; }; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); o.uv = v.uv; return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { // the magic happens here } ENDCG } } }

注意，直接新建无光照着色器(Create->Shader->Unlit Shader) 就会看到几乎同样的代码。

现在看看重要部分：片段着色器。首先，需要通过ScreenSpaceSnow脚本来获取所有数据：
[C#] 纯文本查看复制代码sampler2D _MainTex; sampler2D _CameraDepthNormalsTexture; float4x4 _CamToWorld; sampler2D _SnowTex; float _SnowTexScale; half4 _SnowColor; fixed _BottomThreshold; fixed _TopThreshold; half4 frag (v2f i) : SV_Target { }

找出需要下雪的地方

正如之前所说，所有法线朝上的表面都将覆盖雪。相机已经设置了生成深度法线贴图，所以现在直接获取即可。代码如下：
[C#] 纯文本查看复制代码sampler2D _CameraDepthNormalsTexture;

查看Unity官方文档可以了解该命名的意义：
深度贴图可以作为一个着色器的全局着色器属性进行采样。通过声明名为_CameraDepthTexture的采样器，就能够采样相机的主深度纹理。
_CameraDepthTexture总是引用相机的主深度贴图。

现在开始获取法线：
[C#] 纯文本查看复制代码half4 frag (v2f i) : SV_Target { half3 normal; float depth; DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv), depth, normal); normal = mul( (float3x3)_CamToWorld, normal); return half4(normal, 1); }

Unity文档解释深度和法线的数据都打包为16位。这里需要像代码那样调用DecodeDepthNormal方法进行解包。

这个方法检索的是相机空间的法线。也就是说，如果旋转屏幕相机，那么法线朝向也会改变。脚本中将法线乘以_CamToWorld 矩阵就是为了避免这种情况。它会将法线从相机空间转换为世界空间，这样就不再依赖于相机的透视。

为了让着色器正确编译就必须返回一些东西，所以上面的代码设置了返回语句。这样也便于预览结果以确认计算是否正确。

暂时渲染为RGB图像。在Unity中，Y轴是默认向上的。图中绿色部分表示Y坐标轴的值。目前为止结果不错！

现在将其转换为雪量的因子。
[C#] 纯文本查看复制代码half4 frag (v2f i) : SV_Target { half3 normal; float depth; DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv), depth, normal); normal = mul( (float3x3)_CamToWorld, normal); half snowAmount = normal.g; half scale = (_BottomThreshold + 1 - _TopThreshold) / 1 + 1; snowAmount = saturate( (snowAmount - _BottomThreshold) * scale); return half4(snowAmount, snowAmount, snowAmount, 1); }

这里会用到绿色分量。接下来配置积雪覆盖区域顶部和底部的阀值，以便于调整场景的积雪量。

雪纹理

如果没有纹理，雪看起来会不真实。最难的部分就是将2D纹理（屏幕空间）应用到3D物体上。一种方法是获取像素的世界坐标，然后将世界坐标的X和Z值作为纹理坐标。

[C#] 纯文本查看复制代码half4 frag (v2f i) : SV_Target { half3 normal; float depth; DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv), depth, normal); normal = mul( (float3x3)_CamToWorld, normal); // find out snow amount half snowAmount = normal.g; half scale = (_BottomThreshold + 1 - _TopThreshold) / 1 + 1; snowAmount = saturate( (snowAmount - _BottomThreshold) * scale); // find out snow color float2 p11_22 = float2(unity_CameraProjection._11, unity_CameraProjection._22); float3 vpos = float3( (i.uv * 2 - 1) / p11_22, -1) * depth; float4 wpos = mul(_CamToWorld, float4(vpos, 1)); wpos += float4(_WorldSpaceCameraPos, 0) / _ProjectionParams.z; half3 snowColor = tex2D(_SnowTex, wpos.xz * _SnowTexScale * _ProjectionParams.z) * _SnowColor; return half4(snowColor, 1); }

这里涉及到一些数学知识，您只需知道vpos是视口坐标，wpos是由视口坐标与_CamToWorld矩阵相乘而得到的世界坐标，并且它通过除以远平面的位置（_ProjectionParams.z）来转换为有效的世界坐标。最后使用XZ坐标乘以可配置参数_SnowTexScale和远平面，来计算雪的颜色并获取适当的值。

合并

下面将积雪与场景进行合并。

[C#] 纯文本查看复制代码half4 frag (v2f i) : SV_Target { half3 normal; float depth; DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv), depth, normal); normal = mul( (float3x3)_CamToWorld, normal); // find out snow amount half snowAmount = normal.g; half scale = (_BottomThreshold + 1 - _TopThreshold) / 1 + 1; snowAmount = saturate( (snowAmount - _BottomThreshold) * scale); // find out snow color float2 p11_22 = float2(unity_CameraProjection._11, unity_CameraProjection._22); float3 vpos = float3( (i.uv * 2 - 1) / p11_22, -1) * depth; float4 wpos = mul(_CamToWorld, float4(vpos, 1)); wpos += float4(_WorldSpaceCameraPos, 0) / _ProjectionParams.z; wpos *= _SnowTexScale * _ProjectionParams.z; half3 snowColor = tex2D(_SnowTex, wpos.xz) * _SnowColor; // get color and lerp to snow texture half4 col = tex2D(_MainTex, i.uv); return lerp(col, snowColor, snowAmount); }

上述代码获取原始颜色，并使用snowAmount进行插值渐变为snowColor。

最后一步：将_TopThreshold设为0.6：

完成!

结论

全屏效果见下图。看起来不错吧？

本文着色器可免费下载，您也可以将其用于您的项目！（请回复本帖下载着色器）：
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原文链接：Let It Snow! How To Make a Fast Screen-Space Snow Accumulation Shader In Unity
感谢Unity官方翻译组成员“yangtze0621”对本文翻译所做的贡献。
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