水体渲染

简单水体

贴图+UV动画
使用一张噪声纹理，采样结果作为UV的偏移值，从而模拟水流动的效果

// sample the texture
fixed4 noise_col = tex2D(_NoiseTex, i.uv + fixed2(_Time.y*_XSpeed, 0));
fixed uOffset = noise_col.r;
fixed vOffset = noise_col.r;
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv +_Intensity*fixed2(uOffset, vOffset));

_Intensity为水流动的强度
_XSpeed为水流动的速度
完整代码：https://github.com/kb824999404/Unity_Shader/blob/master/Shader/Test/Water/SimpleWater.shader

水波

波纹内部有拉伸效果，随时间变化：用距离中心的长度和时间作为输入，通过三角函数计算拉伸值，_distanceFactor为波峰波谷数量，_totalFactor为最大拉伸强度，_timeFactor为拉伸强度变化速度
```
float sinFactor = sin(dis * _distanceFactor + _Time.x * _timeFactor) * _totalFactor;
```

波纹从内向外扩散：波纹半径随时间递增，不超过最大半径_maxWaveDis，waveWidth为波纹宽度，如果纹理坐标距离当前波纹运动点的距离超过该值则不拉伸

float curWaveDis = frac(_Time.x *_waveSpeed)*_maxWaveDis;
//距离当前波纹运动点的距离，如果小于waveWidth才予以保留，否则已经出了波纹范围，factor通过clamp设置为0
float discardFactor = clamp(_waveWidth - abs(curWaveDis - dis), 0, 1);

将纹理坐标进行网格细分，使水波随机出现在各个网格内，并且一个扩散周期后再次随机出现，_GridNum为细分网格数量，_RippleDensity为水波密度

float2 st=frac(i.uv*_GridNum);     //网格内坐标
float2 grid=floor(i.uv*_GridNum);    //网格坐标
float2 dv=float2(st.x-0.5,st.y-0.5);
float dis=length(dv);           //距网格中心距离//使用floor取整，一个水波扩散周期内不变
float flag_change=floor(_Time.x *_waveSpeed);
//用网格坐标和flag_change生成随机值，大于_RippleDensity为1，用于判断该网格是否有水波
//这样水波随机出现在各个网格内，且一个水波扩散周期内不消失
float flag_ripple=step(random(grid+flag_change),_RippleDensity);

最后综合计算结果，得到偏移值

//归一化
float2 dv1 = normalize(dv);
//计算每个像素uv的偏移值
float2 offset = dv1  * sinFactor*discardFactor*flag_ripple;

水波可能不太明显，可以加上水波的颜色（效果好像不太明显）

完整代码：https://github.com/kb824999404/Unity_Shader/blob/master/Shader/Test/Water/RippleWater.shader

波浪

顶点动画，这里采用线性波形叠加方法，_WaveScale为波浪数量，_WaveStrength为波浪强度

需要注意的是，如果使用Unity中自带的模型，顶点数过少，会产生整个模型上下摇动的效果，而不是出现波浪，因此可以在Blender里建一个平面，细分到有足够多的顶点

float calculateSurface(float x, float z, float scale)
{float y = 0.0;y += (sin(x * 1.0 / scale + _Time.y * 1.0) + sin(x * 2.3 / scale + _Time.y * 1.5) + sin(x * 3.3 / scale + _Time.y * 0.4)) / 3.0;y += (sin(z * 0.2 / scale + _Time.y * 1.8) + sin(z * 1.8 / scale + _Time.y * 1.8) + sin(z * 2.8 / scale + _Time.y * 0.8)) / 3.0;return y;
}
v2f vert (appdata v)
{v2f o;v.vertex.z += _WaveStrength * calculateSurface(v.vertex.x, v.vertex.y, _WaveScale);o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;
}

完整代码：https://github.com/kb824999404/Unity_Shader/blob/master/Shader/Test/Water/WaveWater.shader

折射反射

折射：使用GrabPass{}在渲染水面前获取屏幕图像，作为水下贴图，在此基础上渲染水面
反射：创建一个相机捕获从水面出发捕获到的景象，建立一个RenderTexture将RenderTexture赋给相机的Render Target存储获取的图像，再将RenderTexture赋给水体material的_ReflectTex

菲涅尔反射：使用菲涅尔等式计算反射光和折射光的比例
Fschlick(v,n)=F0+(1−F0)(1−v⋅n)5F_{schlick}(v,n)=F_{0}+(1-F_{0})(1-v\cdot n)^{5}Fschlick(v,n)=F0+(1−F0)(1−v⋅n)5
然后按比例混合反射光和折射光

//反射纹理采样
fixed3 reflectColor=tex2D(_ReflectTex,coord);//水下纹理采样
fixed3 refractColor=tex2D(_GrabTex, (i.scrPos.xy+offset)/i.scrPos.w).rgb;
//菲涅尔等式计算反射和折射比例
fixed fresnel=_FresnelScale+(1-_FresnelScale)*pow(1-dot(worldViewDir,worldNormal),5);//混合反射光和折射光
fixed3 fresnelColor=lerp(refractColor, reflectColor, saturate(fresnel));

水贴图采样，添加高光和阴影，结果：

fixed3 color = ambient+(waterColor +specular+fresnelColor ) * atten;

完整代码：https://github.com/kb824999404/Unity_Shader/blob/master/Shader/Test/Water/AllWater.shader

本文代码： https://github.com/kb824999404/Unity_Shader/blob/master/Shader/Test/Water

参考： Unity Shader-后处理:屏幕水波效果真实感水体渲染技术总结 Unityshader水体笔记《Unity Shader入门精要》
【Unity Shader实例】水体WaterEffect(二) 用贴图和uv动画模拟水效
【Unity Shader实例】水体WaterEffect(五) 水的折射

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