Unity 3D 海水的实现2 折射与反射离屏相机的渲染

版本：unity 5.4.1 语言：C#

在上节博文实现后，我添加了一些场景的元素，海水的效果大概是这个样子的：

接下来的目标是实现海水的折射和反射，书中使用的Unity应该是4.x时代的，Unity自带基础包是5.x的，然后我再在网上看了一个例子，看了下来基本原理都差不多。

还记得移动端简单阴影的实现吧，对，就是添加一个相机把照到的玩家传给Shader后，显示在地上，原理是一样的。

首先获取到玩家的相机，新建相机到玩家当前相机，经过一个反射矩阵的旋转后，截取海平面以上的渲染，然后再将渲染出来的Texture传递给Shader处理；折射更加简单，不用矩阵旋转，当前位置的海平面以下渲染出Texture，再传递给Shader。

下面是代码，生成Mesh的代码，我就去掉了：

public class Ocean : MonoBehaviour
{// 一片区域网格横纵数量public int width = 32;public int height = 32;int g_height;   // 组成网格横纵的线条数量int g_width;Vector2 sizeInv;// 区域的数量和大小public int tiles = 2;public Vector3 size = new Vector3(150f, 1f, 150f);// 材质public Material material;public Shader oceanShader;public Transform player;public Transform sun;public Vector4 SunDir;// 网格相关Vector3[] vertices; //顶点Vector3[] normals;  //法线Vector4[] tangents; //三角Mesh baseMesh;// LOD，越在靠后List的Mesh，网格越少int maxLOD = 4;List<List<Mesh>> tiles_LOD;// 折射反射相关public bool renderReflection = true; //是否启用反射折射public int renderTexWidth = 128;public int renderTexHeight = 128;RenderTexture reflectionTexture = null;RenderTexture refractionTexture = null;Camera offscreenCam = null;
bool reflectionRefractionEnabled = false;   //是否初始化完成// Use this for initializationvoid Start(){// 折射反射sizeInv = new Vector2(1f / size.x, 1f / size.z);SetupOffscreenRendering();  // 添加离屏相机if (!renderReflection)EnableReflection(false);elseEnableReflection(true);// 计算线条数量g_height = height + 1;g_width = width + 1;// LOD，Mesh所在的List的LOD List编号越小，Mesh的网格越多tiles_LOD = new List<List<Mesh>>();for (int LOD = 0; LOD < maxLOD; LOD++){tiles_LOD.Add(new List<Mesh>());}for (int y = 0; y < tiles; ++y){for (int x = 0; x < tiles; ++x){Debug.Log("创建了一片水");float cy = y - Mathf.Floor(tiles * 0.5f);float cx = x - Mathf.Floor(tiles * 0.5f);// 创建一片水GameObject tile = new GameObject("WaterTile");// 坐标以当前节点为中心tile.transform.parent = transform;tile.transform.localPosition = new Vector3(cx * size.x, 0f, cy * size.z);// 添加Mesh渲染组件tile.AddComponent<MeshFilter>();tile.AddComponent<MeshRenderer>().material = material;tile.layer = LayerMask.NameToLayer("Water");tiles_LOD[0].Add(tile.GetComponent<MeshFilter>().mesh);}}GenerateHeightmap();}// 设置折射反射void SetupOffscreenRendering(){// 创建折射反射图RecalculateRenderTextures();// 创建Camera实现离屏渲染GameObject cam = new GameObject();cam.name = "DeepWaterOffscreenCam";cam.transform.parent = transform;offscreenCam = cam.AddComponent<Camera>();offscreenCam.clearFlags = CameraClearFlags.Color;offscreenCam.depth = -1;offscreenCam.enabled = false;
}// 当设置reflection和refraction被禁用的时候，设置lod为1void EnableReflection(bool isActive){renderReflection = isActive;if (!isActive)  // 关闭反射折射，使用波光粼粼的图片替代{material.SetTexture("_Reflection", null);material.SetTexture("_Refraction", null);oceanShader.maximumLOD = 1;}else    // 启用反射折射{OnDisable();oceanShader.maximumLOD = 2;RecalculateRenderTextures();}}// 重新生成反射折射的缓存图片void RecalculateRenderTextures(){if (renderReflection){reflectionTexture = new RenderTexture(renderTexWidth, renderTexHeight, 0);refractionTexture = new RenderTexture(renderTexWidth, renderTexHeight, 0);reflectionTexture.wrapMode = TextureWrapMode.Clamp;refractionTexture.wrapMode = TextureWrapMode.Clamp;reflectionTexture.isPowerOfTwo = true;refractionTexture.isPowerOfTwo = true;material.SetTexture("_Reflection", reflectionTexture);material.SetTexture("_Refraction", refractionTexture);material.SetVector("_Size", new Vector4(size.x, size.y, size.z, 0f));}}// 删除反射折射使用的缓存图片void OnDisable(){if (reflectionTexture != null){DestroyImmediate(reflectionTexture);}if (refractionTexture != null){DestroyImmediate(refractionTexture);}reflectionTexture = null;refractionTexture = null;}// 折射反射渲染物体void RenderObject(){if (Camera.current == offscreenCam)return;if (reflectionTexture == null || refractionTexture == null)return;if (renderReflection)RenderReflectionAndRefraction();}public LayerMask renderLayers = -1;// 具体的渲染，使用第二个相机拷贝当前相机的设置void RenderReflectionAndRefraction(){// 获取当前角色身上的主相机Camera renderCamera = Camera.main;Matrix4x4 originalWorldToCam = renderCamera.worldToCameraMatrix;    // 获取世界到相机的矩阵，如果改变了相机的矩阵就不会再根据原Transform渲染，除非调用ResetWorldToCameraMatrixint cullingMask = ~(1 << 4) & renderLayers.value;   //剪裁Mask，忽略水本身// 计算反射矩阵float d = -transform.position.y;Matrix4x4 reflection = Matrix4x4.zero;CameraHelper.CalculateReflectionMatrix(ref reflection, new Vector4(0f, 1f, 0f, d)); //这里不明白，总之弄出了反射矩阵// 根据反射矩阵计算离屏相机位置和矩阵offscreenCam.backgroundColor = RenderSettings.fogColor;offscreenCam.transform.position = reflection.MultiplyPoint(renderCamera.transform.position);    //当前相机置换到反射矩阵中offscreenCam.transform.rotation = renderCamera.transform.rotation;offscreenCam.worldToCameraMatrix = originalWorldToCam * reflection;offscreenCam.cullingMask = cullingMask; //设置剪裁maskoffscreenCam.targetTexture = reflectionTexture; //将反射缓存图片添加到离屏相机里，跟之前阴影是一个原理// 因为反射截取到的图片是翻转的，所以需要设置翻转GL.SetRevertBackfacing(true);// 获取剪裁平面，transform.position.y是当前海水的高度，最后两个值的正负表示剪裁的方向Vector4 cameraSpaceClipPlane = CameraHelper.CameraSpacePlane(offscreenCam, new Vector3(0.0f, transform.position.y, 0.0f), Vector3.up, 1.0f);Matrix4x4 projection = renderCamera.projectionMatrix;   //获得渲染相机的投影矩阵Matrix4x4 obliqueProjection = projection;offscreenCam.fieldOfView = renderCamera.fieldOfView;    //设置FOVoffscreenCam.aspect = renderCamera.aspect;  //设置宽高比CameraHelper.CalculateObliqueMatrix(ref obliqueProjection, cameraSpaceClipPlane);// 开始真正的渲染offscreenCam.projectionMatrix = obliqueProjection;if (!renderReflection)offscreenCam.cullingMask = 0;offscreenCam.Render();GL.SetRevertBackfacing(false);// 折射渲染     offscreenCam.cullingMask = cullingMask;offscreenCam.targetTexture = refractionTexture;obliqueProjection = projection;// 将渲染相机的各个参数设置给离屏相机offscreenCam.transform.position = renderCamera.transform.position;offscreenCam.transform.rotation = renderCamera.transform.rotation;offscreenCam.worldToCameraMatrix = originalWorldToCam;// 获取剪裁平面，计算投影矩阵cameraSpaceClipPlane = CameraHelper.CameraSpacePlane(offscreenCam, new Vector3(0.0f, transform.position.y, 0.0f), Vector3.up, -1.0f);CameraHelper.CalculateObliqueMatrix(ref obliqueProjection, cameraSpaceClipPlane);offscreenCam.projectionMatrix = obliqueProjection;offscreenCam.Render();offscreenCam.projectionMatrix = projection;offscreenCam.targetTexture = null;}
// 初始化Mesh信息，请参考上一节void GenerateHeightmap(){}// 这边应该是Update的，但写在Update中会报GUI Window tries to begin rendering while something else has not finished rendering的错误void OnGUI(){// 设置玩家、太阳角度，并更新反射折射，折射反射是根据玩家视角来计算的if (player == null)player = GameObject.FindGameObjectWithTag("Player").GetComponent<Transform>();if (sun != null){SunDir = sun.transform.forward;material.SetVector("_SunDir", SunDir);}if (renderReflection)RenderObject();}
}

然后是CameraHelper的脚本：

public class CameraHelper
{private static float sgn(float a){if (a > 0.0f)return 1.0f;if (a < 0.0f)return -1.0f;return 0.0f;}public static void CalculateObliqueMatrix(ref Matrix4x4 projection, Vector4 clipPlane){Vector4 q = projection.inverse * new Vector4(sgn(clipPlane.x), sgn(clipPlane.y), 1.0f, 1.0f);Vector4 c = clipPlane * (2.0F / (Vector4.Dot(clipPlane, q)));projection[2] = c.x - projection[3];projection[6] = c.y - projection[7];projection[10] = c.z - projection[11];projection[14] = c.w - projection[15];}public static Vector4 CameraSpacePlane(Camera cam, Vector3 pos, Vector3 normal, float sideSign){Vector3 offsetPos = pos + normal * 0.02f;Matrix4x4 m = cam.worldToCameraMatrix;Vector3 cpos = m.MultiplyPoint(offsetPos);Vector3 cnormal = m.MultiplyVector(normal).normalized * sideSign;return new Vector4(cnormal.x, cnormal.y, cnormal.z, -Vector3.Dot(cpos, cnormal));}public static void CalculateReflectionMatrix(ref Matrix4x4 reflectionMat, Vector4 plane){reflectionMat.m00 = (1F - 2F * plane[0] * plane[0]);reflectionMat.m01 = (-2F * plane[0] * plane[1]);reflectionMat.m02 = (-2F * plane[0] * plane[2]);reflectionMat.m03 = (-2F * plane[0] * plane[3]);reflectionMat.m10 = (-2F * plane[1] * plane[0]);reflectionMat.m11 = (1F - 2F * plane[1] * plane[1]);reflectionMat.m12 = (-2F * plane[1] * plane[2]);reflectionMat.m13 = (-2F * plane[1] * plane[3]);reflectionMat.m20 = (-2F * plane[2] * plane[0]);reflectionMat.m21 = (-2F * plane[2] * plane[1]);reflectionMat.m22 = (1F - 2F * plane[2] * plane[2]);reflectionMat.m23 = (-2F * plane[2] * plane[3]);reflectionMat.m30 = 0F;reflectionMat.m31 = 0F;reflectionMat.m32 = 0F;reflectionMat.m33 = 1F;}
}

花了三天时间终于整理出来了比较精简的代码，不过渲染部分的矩阵，我还是没有太理解。

这边提一下作者的Shader，因为是老版本创建的Shader，所以如果颜色空间不使用Gamma的话，反射的倒影会用问题。还有作者的代码是有点问题的，如果想直接用他的代码，最好对比一下我这边的代码，把一些错误排掉。

完成之后的效果是这样的：

有折射和反射效果，但总感觉这个颜色很不对劲，没错，这是上一节留下的一个BUG，Mesh中没有添加法线，你可以自己尝试在Mesh初始化的时候添加，或者像我这样马后炮：

normals = new Vector3[baseMesh.vertices.Length];
for (int i = 0; i < baseMesh.vertices.Length; ++i)normals[i] = Vector3.Normalize(new Vector3(0, 1f, 0));for (int k = 0; k < tiles_LOD[0].Count; ++k)
{Mesh meshLOD = tiles_LOD[0][k];meshLOD.vertices = baseMesh.vertices;meshLOD.normals = normals;meshLOD.tangents = baseMesh.tangents;
}

这段代码放到OnGUI中，不过只要运行一次就好，不然电脑会很卡。。

最终效果：

功夫不负有心人啊，花了我很长的时间，不过对比第一张图和最后一张图的效果，我感觉一切都是值得的，也了解了Unity4.x和5.x的一些区别，总的来说大概明白了折射反射的原理。

下一节的文章，我想挑战一下自己深入了解一下反射矩阵，波浪的东西留到后面再做。

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