转载自unity官方社区:http://forum.china.unity3d.com/thread-22366-1-1.html
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,法线朝着其它方向的像素点(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#]
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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#]
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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#]
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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#]
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sampler2D _CameraDepthNormalsTexture;
|
查看Unity官方文档可以了解该命名的意义:
现在开始获取法线:
[C#]
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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#]
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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#]
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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#]
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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?

