如何做一个卡通水面效果

Posted 2021-03-06 back-to-the-past

如何做一个卡通水面效果

本文参考自教程，加上自己的一点心得体会。

首先，根据水面和场景的深度差异划分为浅水和深水，浅水和深水各取两个极值，然后根据深度进行插值。所谓的浅水，就是水面下的物体与水面的距离较小，颜色较浅；所谓的深水，就是水面下的物体与水面的距离较大，颜色较深。

那么，如何获得场景深度呢？Unity引擎自带了**_CameraDepthTexture**，但这是基于屏幕坐标系的texture，如何在frag shader里去采样到正确的值呢？对于顶点(v)而言，我们先通过UnityObjectToClipPos将其转换到齐次坐标系，此时(v.x)和(v.y)的取值范围均为([-v.w,v.w])，然后根据视口变换：
[ screen.x = (v.x * 0.5 + v.w * 0.5) * screen.width / v.w ]

[ screen.y = (v.y * 0.5 + v.w * 0.5) * screen.height / v.w ]

我们发现，实际的采样坐标即为((screen.x / screen.width, screen.y / screen.height))。Unity提供了两个内置函数帮助我们进行采样：ComputeScreenPos和tex2Dproj。ComputeScreenPos这个函数得到的结果为(((v.x * 0.5 + v.w * 0.5), (v.y * 0.5 + v.w * 0.5), v.z, v.w))，tex2Dproj函数会对传入的采样坐标进行透视除法再采样。

然而，采样出来的深度值是经过透视投影变换后的深度，已经不再是线性的，我们需要把它还原为原始的深度值再进行使用。这其实本质上是投影变换的逆变换。Unity也提供了一个内置函数：LinearEyeDepth。通过该函数得到原始深度，与水面的原始深度做差，利用这个差异值就可以对颜色进行线性插值了。有两点需要意识到：

1. 场景深度texture里保存的深度信息是水面渲染之前的，也就是说是不包含水面的深度信息的，另外，在开启early-z的情况下，水面frag代码执行的条件就是水面的深度值要比场景深度值要小
2. 水面的原始深度值就是ComputeScreenPos这个函数返回的(w)。在进行透视除法之前，原始深度值一直保存在vertex的(w)分量

综上，以上实现的shader代码如下：

float existDepth01 = tex2Dproj(_CameraDepthTexture, i.screenPos).r;
float existDepth = LinearEyeDepth(existDepth01);
float difference = existDepth - i.screenPos.w;
float difference01 = saturate(difference / _MaxDistanceCutOff);

float4 waterColor = lerp(_ShallowWaterColor, _DeepWaterColor, difference01);

效果如图。

第二步，我们需要为水面加上一些扰动信息，来实现波纹效果。使用一张噪声贴图，直接采样出颜色与现有颜色叠加：

可以发现，由于颜色直接叠加，把大部分区域的颜色刷得太亮了，而我们想要的，其实是亮的地方颜色保持不变，暗的地方刷成波纹的颜色，因此加一个cutoff进行过滤：

接下来，我们希望靠近岸边的边缘部分也要有波纹。靠近岸边的水面和场景的深度差异较小，可以利用这一点降低对噪声的cutoff值，让边缘部分的噪声也可以add到水面上：

另外，可以再加一张扰动贴图，采样两个通道对噪声贴图的uv进行偏移，来实现流动的效果。

现在，大体的感觉已经有了。细心观察可以发现，水面与物体接触的地方，波纹应该更明显一点，也就是与物体接触的地方需要额外降低对噪声的cutoff值。这时，需要借助场景中的法线数据来处理。水面与物体接触的地方法线差异比较大，其他地方法线差异比较小。容易想到用两个法向量的点积来衡量向量的差异程度。

由于Unity自带的法线纹理精确有限，这里考虑自己渲染出一张场景的法线纹理图。额外新建一个camera，通过设置它的depth，使用SetReplacementShader方法，替换掉场景中其他所有shader，让其都用写法线的方式渲染，得到RT。这个方法可以替换掉所有对于Tag相同的shader，让它们用指定的shader渲染，对于Tag不同的，则跳过渲染，这里可以参照Unity官方文档。

接下来，我们可以通过修改shader的tag和blend模式，来让水面变得透明。同时，我们还希望能够调整波纹的颜色。为了让波纹自身的颜色能与水面本身的颜色融合而不是相加，我们采用alpha-blend的模式，让波纹自身的颜色blend到水面上，这时，之前用到的cutoff得到的结果可以用在设置波纹的alpha上。

最后，对波纹边缘处，可以用smoothstep对cutoff进行平滑。

总结一下，实现一个简单的卡通水面效果，分为如下几个步骤：

1. 根据水面与场景的深度差异，划分出浅水区和深水区；
2. 使用噪声贴图blend到水面上，达到水波纹的效果，注意在水面边缘，深度差异小的地方水波纹的效果大；在水面中央有物体的地方，法线差异大，水波纹效果也大；
3. 通过调整blend的模式，让水波纹可以设置自身的颜色blend到水面上；
4. 水波纹效果边缘可以用smoothstep进行平滑。