【Unity Shader】模拟水面包含折射与反射与波浪动画

最近研究了一下Unity官方的BoatAttack案例，他们模拟的海浪效果很厉害，用的是Gerstner波来模拟水面起伏和波峰的白浪还有浮力系统，还做加入了焦散效果（Caustics）和平面反射（Planar Reflection）。

Unity 官方也提供了初步的水体着色教程，主要谈到了水体颜色的过渡以及基于两个噪声图的波浪动画。在此基础上我加入了反射和折射：

平面反射（Planar Reflection）

首先要像OpaqueTexture一样，让camera准备好一张场景处于反射空间的图像，实现的代码在Unity的standard assets里面就有包含，BoatAttack案例里面也有(见PlanarReflections.cs脚本），然后在shader里面取出这张准备好了的反射贴图给水面着色：

反射强度是跟视角有关的，投向水面的视线与水面法线夹角越大，反射程度越强，这恰恰就是Fresnel Effect的特征，于是我加入了一个Fresnel Effect节点来控制反射程度：

折射（Refraction）

折射其实只是把OpaqueTexture做扭曲，关键点是要“过滤”出那些不可以被扭曲的点，即当物体是在水面上方，是不能发生折射扭曲的，这点在catlikecoding大神的流体模拟之Looking Through Water里面有详细说明：

与Looking Through Water不同，我用Shader Graph Node来实现“过滤” 。先回到“扭曲”效果的本质，其实就是取旁边的点的颜色。先看看旁边的点是不是可以取，如果不可以取，就用回自己本来的颜色，即达到过滤的目的。旁边的点的深度值如果比自己的小，说明旁边的点是前景，自己是背景：

浮力模拟（Bobbing）

由于不是做复杂的类似BoatAttack的水面交互，于是浮力模拟我用的是简单的PerlinNoise动画来模拟，即并没有真正的模拟浮力，只是看起来像是浮力在作用。UnityAPI文档在讲述Mathf.PerlinNoise这个API的时候，恰恰给出了一个Bobbing Animation的例子：

// "Bobbing" animation from 1D Perlin noise.
public class Example : MonoBehaviour
{
    ...
    void Update()
    {
        float height = heightScale * Mathf.PerlinNoise(Time.time * xScale, 0.0f);
        Vector3 pos = transform.position;
        pos.y = height;
        transform.position = pos;
    }
}

焦散效应（ Caustics ）

在真机上运行效果不佳，待日后研究：

参考资料

• UnityURP水体着色
• BoatAttack Demo Project using the Universal RP from Unity3D
• Looking Through Water Underwater Fog and Refraction

shader unity