Unity引擎制作玻璃的反射和折射效果

  大家好，我是阿赵。
  之前做海面效果的时候，没做反射和折射的效果，因为我觉得过于复杂的效果没有太大的实际作用。这方面的效果，我就做了现在这个例子来补充一下。

  在这个demo场景里面，我建了一个面片，然后贴了一张室内场景的贴图。然后建了一个球放在面片前面。

一、 反射

  首先我要给这个球加一个反射的效果。熟悉我的朋友应该都知道，我出于性能的考虑，是不会做真反射的。而我选择的反射方案，一般就是Matcap。
  Matcap之前我已经专门写了2篇文章介绍过，有兴趣的朋友可以往前翻一下。这里简略的说一下就算了。Matcap的原理简单，就是用物体的世界法线方向转到View坐标系，然后把这个当做UV去采样一张Matcap贴图。所以Matcap实际上比采样CubeMap消耗还小，而且效果也比较的逼真。
  Matcap的实现很简单，在ASE里面的连线是这样的：

  把这个Matcap的颜色输出：

  我赋予了一张Matcap贴图，然后稍微调了一点强度，看看效果：

  可以看出，现在球体上已经有一些反射的效果了。

二、 折射

  折射，有多种做法，比较常见的一种，是用CubeMap做一个假环境，然后通过对CubeMap的采样过程进行扭曲，做到折射的效果。
  但我这次并不打算这样做折射，因为CubeMap折射的是假的环境，是不会变化的，我这里做一个稍微真实折射，通过GrabTexture，捕捉屏幕图像，然后再通过对GrabTexture的采样UV进行扭曲，达到折射的效果。
  在ASE里面的连线大概是这样的：

  需要注意的有以下这些点：
1、 GrabTexture一定要自定义贴图名称
  GrabTexture的获取有2种方式，一种是不指定贴图名称，另一种是指定贴图名称。
这两种方式从结果看，效果是一模一样的。但如果不指定贴图名称，如果同一帧里面有多个材质球需要采样，就会捕捉多次屏幕，造成巨大的性能消耗。
  如果指定了贴图名称，那么就可以大量的减少采样的次数了。GrabTexture捕捉屏幕画面，本身就是一个比较大的消耗，其实能不用最好是不用的。不过一些自带扭曲的效果，如果要实现，要么用后处理的方式做，要么用GrabTexture做，实际上后处理是把一帧的渲染结果当做RenderTexture拿到，再对这张RenderTexture进行处理，消耗也同样不小的。

2、 获取屏幕坐标的方法
  由于dx和OpenGL的UV坐标方向不一样，所以要获得GrabTexture对应顶点的屏幕坐标，是需要分别处理的，ASE里面的GrabScreenPosition节点，已经做了这样的处理：

inline float4 ASE_ComputeGrabScreenPos( float4 pos )
{
#if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP
float scale = -1.0;
#else
float scale = 1.0;
#endif
float4 o = pos;
o.y = pos.w * 0.5f;
o.y = ( pos.y - o.y ) * _ProjectionParams.x * scale + o.y;
return o;

}

  如果不想自己判断是不是UNITY_UV_STARTS_AT_TOP，也可以直接用UnityCG.cginc内置的方法ComputeScreenPos来获取这个坐标。
3、 通过Lerp来过渡
  首先来明确一个问题，我们现在不是根据折射率来计算真实的折射，而是通过采样一帧的画面，进行扭曲模拟的折射效果。而我们能使用的扭曲画面的参数，我这里是使用了法线方向。根据法线方向的变化，对GrabTexture的采样UV进行偏移。
  既然是这样，那么我们要获得一个世界空间的法线方向和视角的关系，来确定扭曲的强度。这个东西之前我们用过很多了，就是NDotV了：

  根据这个的变化，来采样GrabTexture，然后再和正常的GrabTexture屏幕坐标，通过一个强度值，做一个Lerp的变化：

  这样就能获得一个反射的颜色，如果单独输出这个反射颜色

球的效果会是这样的：

  如果叠加上Matcap的反射效果：

  球体的效果会变成这样：

三、 边缘

  从模拟的效果看，现在的球体已经有一定的玻璃的特征了，但似乎并没有什么厚度，更像是一个肥皂泡泡。
  为了解决这个问题，我尝试给他加一个边缘光。边缘光的算法其实就是之前做海面效果的菲涅尔了。

  然后把这个边缘光也叠加上去：

  调整一下菲涅尔的最大最小值，可以得到这样的效果：

四、 整体颜色

  现在的玻璃默认是白色的，因为我们叠加的效果都是反射折射和边缘光，还没有给固有色指定。所以我添加一个mainColor作为固有色。也可以通过贴图采样作为固有色，都可以，这里就简单给一个颜色算了。

  所以调整一下颜色，就可以得到：

或者：

五、 应用于其他的模型

  在球体上面实现了这个效果了，接下来把它应用到别的形状的模型，看看效果对不对：

  这里做了个酒杯，里面有半杯液体。
  由于这个杯子整体来看每个面的法线方向都不一样，可以看出，整体的折射的模拟效果还是比较的正确的。然后由于不同的材质球可以调不同的折射强度，所以液体的折射和被子的折射可以调成不一样，看起来效果会更真实一点。

六、 源码

  由于这个Shader是用ASE编的，所以我也提供一下生成的代码，各位有兴趣可以去ASE里面看看连线的情况：

// Made with Amplify Shader Editor
// Available at the Unity Asset Store - http://u3d.as/y3X 
Shader "ballRefract"
{
Properties
{
_mainColor("mainColor", Color) = (1,1,1,1)
_matcapTex("matcapTex", 2D) = "white" {}
_matcapStrength("matcapStrength", Range( 0 , 1)) = 0
_refractStrength("refractStrength", Range( 0 , 1)) = 0
_fresnelVal("fresnelVal", Range( 0 , 1)) = 1
_fresnelMax("fresnelMax", Range( 0 , 1)) = 1
_fresnelMin("fresnelMin", Range( 0 , 1)) = 0

}

SubShader
{


Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Transparent" }
LOD 100

CGINCLUDE
#pragma target 3.0
ENDCG
Blend Off
AlphaToMask Off
Cull Back
ColorMask RGBA
ZWrite On
ZTest LEqual
Offset 0 , 0


GrabPass{ }

Pass
{
Name "Unlit"
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM

#if defined(UNITY_STEREO_INSTANCING_ENABLED) || defined(UNITY_STEREO_MULTIVIEW_ENABLED)
#define ASE_DECLARE_SCREENSPACE_TEXTURE(tex) UNITY_DECLARE_SCREENSPACE_TEXTURE(tex);
#else
#define ASE_DECLARE_SCREENSPACE_TEXTURE(tex) UNITY_DECLARE_SCREENSPACE_TEXTURE(tex)
#endif


#ifndef UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX
//only defining to not throw compilation error over Unity 5.5
#define UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(input)
#endif
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma multi_compile_instancing
#include "UnityCG.cginc"
#include "UnityShaderVariables.cginc"
#define ASE_NEEDS_FRAG_WORLD_POSITION


struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float4 color : COLOR;
float3 ase_normal : NORMAL;
UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
#ifdef ASE_NEEDS_FRAG_WORLD_POSITION
float3 worldPos : TEXCOORD0;
#endif
float4 ase_texcoord1 : TEXCOORD1;
float4 ase_texcoord2 : TEXCOORD2;
UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
UNITY_VERTEX_OUTPUT_STEREO
};

uniform float4 _mainColor;
uniform sampler2D _matcapTex;
uniform float _matcapStrength;
ASE_DECLARE_SCREENSPACE_TEXTURE( _GrabTexture )
uniform float _refractStrength;
uniform float _fresnelMin;
uniform float _fresnelMax;
uniform float _fresnelVal;
inline float4 ASE_ComputeGrabScreenPos( float4 pos )
{
#if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP
float scale = -1.0;
#else
float scale = 1.0;
#endif
float4 o = pos;
o.y = pos.w * 0.5f;
o.y = ( pos.y - o.y ) * _ProjectionParams.x * scale + o.y;
return o;
}



v2f vert ( appdata v )
{
v2f o;
UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);
UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o);
UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v, o);

float3 ase_worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.ase_normal);
o.ase_texcoord1.xyz = ase_worldNormal;
float4 ase_clipPos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
float4 screenPos = ComputeScreenPos(ase_clipPos);
o.ase_texcoord2 = screenPos;


//setting value to unused interpolator channels and avoid initialization warnings
o.ase_texcoord1.w = 0;
float3 vertexValue = float3(0, 0, 0);
#if ASE_ABSOLUTE_VERTEX_POS
vertexValue = v.vertex.xyz;
#endif
vertexValue = vertexValue;
#if ASE_ABSOLUTE_VERTEX_POS
v.vertex.xyz = vertexValue;
#else
v.vertex.xyz += vertexValue;
#endif
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

#ifdef ASE_NEEDS_FRAG_WORLD_POSITION
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
#endif
return o;
}

fixed4 frag (v2f i ) : SV_Target
{
UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(i);
UNITY_SETUP_STEREO_EYE_INDEX_POST_VERTEX(i);
fixed4 finalColor;
#ifdef ASE_NEEDS_FRAG_WORLD_POSITION
float3 WorldPosition = i.worldPos;
#endif
float3 ase_worldNormal = i.ase_texcoord1.xyz;
float4 matcap24 = ( tex2D( _matcapTex, (mul( float4( ase_worldNormal , 0.0 ), UNITY_MATRIX_V ).xyz*0.5 + 0.5).xy ) * _matcapStrength );
float4 screenPos = i.ase_texcoord2;
float4 ase_grabScreenPos = ASE_ComputeGrabScreenPos( screenPos );
float4 ase_grabScreenPosNorm = ase_grabScreenPos / ase_grabScreenPos.w;
float2 appendResult3 = (float2(ase_grabScreenPosNorm.r , ase_grabScreenPosNorm.g));
float3 ase_worldViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(WorldPosition);
ase_worldViewDir = normalize(ase_worldViewDir);
float dotResult8 = dot( ase_worldNormal , ase_worldViewDir );
float NDotV25 = dotResult8;
float2 temp_cast_3 = (NDotV25).xx;
float2 lerpResult5 = lerp( appendResult3 , temp_cast_3 , _refractStrength);
float4 screenColor1 = UNITY_SAMPLE_SCREENSPACE_TEXTURE(_GrabTexture,lerpResult5);
float4 refract32 = screenColor1;
float smoothstepResult9 = smoothstep( _fresnelMin , _fresnelMax , NDotV25);
float Fresnel29 = ( ( 1.0 - smoothstepResult9 ) * _fresnelVal );


finalColor = ( _mainColor * ( matcap24 + refract32 + Fresnel29 ) );
return finalColor;
}
ENDCG
}
}
CustomEditor "ASEMaterialInspector"


}
/*ASEBEGIN
Version=18500
1920;0;1920;1019;3260.221;1877.513;3.859619;True;True
Node;AmplifyShaderEditor.CommentaryNode;28;-2376.601,15.2;Inherit;False;754.8627;439;Comment;4;7;6;8;25;NDotV;1,1,1,1;0;0
Node;AmplifyShaderEditor.ViewDirInputsCoordNode;7;-2312.601,266.2;Inherit;False;World;False;0;4;FLOAT3;0;FLOAT;1;FLOAT;2;FLOAT;3
Node;AmplifyShaderEditor.WorldNormalVector;6;-2326.601,65.2;Inherit;False;False;1;0;FLOAT3;0,0,1;False;4;FLOAT3;0;FLOAT;1;FLOAT;2;FLOAT;3
Node;AmplifyShaderEditor.CommentaryNode;16;-1784.797,-866.7996;Inherit;False;1347.15;473.2724;Comment;9;24;23;22;20;21;19;38;18;17;matcap;1,1,1,1;0;0
Node;AmplifyShaderEditor.DotProductOpNode;8;-2038.601,175.2;Inherit;False;2;0;FLOAT3;0,0,0;False;1;FLOAT3;0,0,0;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.WorldNormalVector;18;-1734.797,-816.7996;Inherit;False;False;1;0;FLOAT3;0,0,1;False;4;FLOAT3;0;FLOAT;1;FLOAT;2;FLOAT;3
Node;AmplifyShaderEditor.RegisterLocalVarNode;25;-1845.738,162.044;Inherit;True;NDotV;-1;True;1;0;FLOAT;0;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.CommentaryNode;34;-3346.037,-815.1047;Inherit;False;1148.658;457.9377;Comment;7;2;3;26;4;5;1;32;refract;1,1,1,1;0;0
Node;AmplifyShaderEditor.CommentaryNode;30;-2542.042,578.4539;Inherit;False;1269.011;491.3077;Comment;8;10;11;27;9;13;12;14;29;Fresnel;1,1,1,1;0;0
Node;AmplifyShaderEditor.ViewMatrixNode;17;-1690.02,-599.9698;Inherit;False;0;1;FLOAT4x4;0
Node;AmplifyShaderEditor.RangedFloatNode;10;-2492.042,755.5684;Inherit;False;Property;_fresnelMin;fresnelMin;6;0;Create;True;0;0;False;0;False;0;0;0;1;0;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.RangedFloatNode;11;-2488.042,888.5684;Inherit;False;Property;_fresnelMax;fresnelMax;5;0;Create;True;0;0;False;0;False;1;1;0;1;0;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.GetLocalVarNode;27;-2354.074,628.4539;Inherit;False;25;NDotV;1;0;OBJECT;;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.SimpleMultiplyOpNode;19;-1543.883,-676.3995;Inherit;False;2;2;0;FLOAT3;0,0,0;False;1;FLOAT4x4;0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1;False;1;FLOAT3;0
Node;AmplifyShaderEditor.GrabScreenPosition;2;-3296.037,-765.1047;Inherit;False;0;0;5;FLOAT4;0;FLOAT;1;FLOAT;2;FLOAT;3;FLOAT;4
Node;AmplifyShaderEditor.RangedFloatNode;38;-1598.579,-491.8766;Inherit;False;Constant;_Float0;Float 0;7;0;Create;True;0;0;False;0;False;0.5;0;0;0;0;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.SmoothstepOpNode;9;-2123.853,749.8372;Inherit;False;3;0;FLOAT;0;False;1;FLOAT;0;False;2;FLOAT;1;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.DynamicAppendNode;3;-3002.037,-729.1048;Inherit;False;FLOAT2;4;0;FLOAT;0;False;1;FLOAT;0;False;2;FLOAT;0;False;3;FLOAT;0;False;1;FLOAT2;0
Node;AmplifyShaderEditor.RangedFloatNode;4;-3170.409,-473.167;Inherit;False;Property;_refractStrength;refractStrength;3;0;Create;True;0;0;False;0;False;0;0;0;1;0;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.ScaleAndOffsetNode;20;-1404.423,-612.3016;Inherit;False;3;0;FLOAT3;0,0,0;False;1;FLOAT;0.5;False;2;FLOAT;0.5;False;1;FLOAT3;0
Node;AmplifyShaderEditor.GetLocalVarNode;26;-3093.938,-599.0139;Inherit;False;25;NDotV;1;0;OBJECT;;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.SamplerNode;21;-1140.799,-747.8926;Inherit;True;Property;_matcapTex;matcapTex;1;0;Create;True;0;0;False;0;False;-1;None;461d573efcdd854449e8d60d7851cb85;True;0;False;white;Auto;False;Object;-1;Auto;Texture2D;8;0;SAMPLER2D;;False;1;FLOAT2;0,0;False;2;FLOAT;0;False;3;FLOAT2;0,0;False;4;FLOAT2;0,0;False;5;FLOAT;1;False;6;FLOAT;0;False;7;SAMPLERSTATE;;False;5;COLOR;0;FLOAT;1;FLOAT;2;FLOAT;3;FLOAT;4
Node;AmplifyShaderEditor.OneMinusNode;12;-1908.118,772.1724;Inherit;False;1;0;FLOAT;0;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.RangedFloatNode;13;-2110.825,953.7616;Inherit;False;Property;_fresnelVal;fresnelVal;4;0;Create;True;0;0;False;0;False;1;1;0;1;0;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.LerpOp;5;-2821.126,-595.4236;Inherit;False;3;0;FLOAT2;0,0;False;1;FLOAT2;0,0;False;2;FLOAT;0;False;1;FLOAT2;0
Node;AmplifyShaderEditor.RangedFloatNode;22;-1188.587,-525.996;Inherit;False;Property;_matcapStrength;matcapStrength;2;0;Create;True;0;0;False;0;False;0;0.484;0;1;0;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.SimpleMultiplyOpNode;23;-799.8513,-661.761;Inherit;False;2;2;0;COLOR;0,0,0,0;False;1;FLOAT;0;False;1;COLOR;0
Node;AmplifyShaderEditor.SimpleMultiplyOpNode;14;-1726.323,856.4717;Inherit;False;2;2;0;FLOAT;0;False;1;FLOAT;0;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.ScreenColorNode;1;-2640.674,-692.4675;Inherit;False;Global;_GrabScreen0;Grab Screen 0;0;0;Create;True;0;0;False;0;False;Object;-1;False;False;1;0;FLOAT2;0,0;False;5;COLOR;0;FLOAT;1;FLOAT;2;FLOAT;3;FLOAT;4
Node;AmplifyShaderEditor.RegisterLocalVarNode;29;-1497.031,822.4349;Inherit;True;Fresnel;-1;True;1;0;FLOAT;0;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.RegisterLocalVarNode;32;-2421.379,-648.5054;Inherit;False;refract;-1;True;1;0;COLOR;0,0,0,0;False;1;COLOR;0
Node;AmplifyShaderEditor.RegisterLocalVarNode;24;-642.5197,-647.4543;Inherit;False;matcap;-1;True;1;0;COLOR;0,0,0,0;False;1;COLOR;0
Node;AmplifyShaderEditor.GetLocalVarNode;31;-388.149,69.38911;Inherit;False;29;Fresnel;1;0;OBJECT;;False;1;FLOAT;0
Node;AmplifyShaderEditor.GetLocalVarNode;33;-369.1212,4.012573;Inherit;False;32;refract;1;0;OBJECT;;False;1;COLOR;0
Node;AmplifyShaderEditor.GetLocalVarNode;35;-369.3356,-79.31943;Inherit;False;24;matcap;1;0;OBJECT;;False;1;COLOR;0
Node;AmplifyShaderEditor.ColorNode;36;-334.0762,-270.2781;Inherit;False;Property;_mainColor;mainColor;0;0;Create;True;0;0;False;0;False;1,1,1,1;0,0,0,0;True;0;5;COLOR;0;FLOAT;1;FLOAT;2;FLOAT;3;FLOAT;4
Node;AmplifyShaderEditor.SimpleAddOpNode;15;-140.1225,-8.462204;Inherit;False;3;3;0;COLOR;0,0,0,0;False;1;COLOR;0,0,0,0;False;2;FLOAT;0;False;1;COLOR;0
Node;AmplifyShaderEditor.SimpleMultiplyOpNode;37;-13.75513,-124.8451;Inherit;False;2;2;0;COLOR;0,0,0,0;False;1;COLOR;0,0,0,0;False;1;COLOR;0
Node;AmplifyShaderEditor.TemplateMultiPassMasterNode;0;173.9,-159.1;Float;False;True;-1;2;ASEMaterialInspector;100;1;ballRefract;0770190933193b94aaa3065e307002fa;True;Unlit;0;0;Unlit;2;True;0;1;False;-1;0;False;-1;0;1;False;-1;0;False;-1;True;0;False;-1;0;False;-1;False;False;False;False;False;False;True;0;False;-1;True;0;False;-1;True;True;True;True;True;0;False;-1;False;False;False;True;False;255;False;-1;255;False;-1;255;False;-1;7;False;-1;1;False;-1;1;False;-1;1;False;-1;7;False;-1;1;False;-1;1;False;-1;1;False;-1;True;1;False;-1;True;3;False;-1;True;True;0;False;-1;0;False;-1;True;2;RenderType=Opaque=RenderType;Queue=Transparent=Queue=0;True;2;0;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;False;True;1;LightMode=ForwardBase;False;0;;0;0;Standard;1;Vertex Position,InvertActionOnDeselection;1;0;1;True;False;;False;0
WireConnection;8;0;6;0
WireConnection;8;1;7;0
WireConnection;25;0;8;0
WireConnection;19;0;18;0
WireConnection;19;1;17;0
WireConnection;9;0;27;0
WireConnection;9;1;10;0
WireConnection;9;2;11;0
WireConnection;3;0;2;1
WireConnection;3;1;2;2
WireConnection;20;0;19;0
WireConnection;20;1;38;0
WireConnection;20;2;38;0
WireConnection;21;1;20;0
WireConnection;12;0;9;0
WireConnection;5;0;3;0
WireConnection;5;1;26;0
WireConnection;5;2;4;0
WireConnection;23;0;21;0
WireConnection;23;1;22;0
WireConnection;14;0;12;0
WireConnection;14;1;13;0
WireConnection;1;0;5;0
WireConnection;29;0;14;0
WireConnection;32;0;1;0
WireConnection;24;0;23;0
WireConnection;15;0;35;0
WireConnection;15;1;33;0
WireConnection;15;2;31;0
WireConnection;37;0;36;0
WireConnection;37;1;15;0
WireConnection;0;0;37;0
ASEEND*/
//CHKSM=B4E7B803ED14C858BF513B4EAA46C6658043AB88

原文地址：https://blog.csdn.net/liweizhao/article/details/140227407

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