16.表面着色器动态液体具体实现

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  1. 16.表面着色器-实例分析-动态液体-具体实现
    1. 16.1 知识点
      1. 知识回顾：动态液体效果基本原理
      2. 动态液体效果具体实现
        1. 主要步骤
        2. 新建表面着色器，删除不必要的代码
        3. 定义液体Shader所需的各项属性，包括控制液体的颜色、光照效果、液体高度以及波纹效果的属性,并进行属性映射
        4. 进行透明混合相关设置
        5. 光照模型我们使用StandardSpecular 并且不要阴影 noshadow
        6. 输入结构体中只需要当前像素的世界坐标位置
        7. 实现表面函数
        8. 动态液体效果的使用
      3. 总结
    2. 16.2 知识点代码
      1. Lesson16_DynamicLiquid.shader
      2. Lesson16_表面着色器_实例分析_动态液体_具体实现.cs

16.表面着色器-实例分析-动态液体-具体实现

16.1 知识点

知识回顾：动态液体效果基本原理

  • 如何被容器装载 —— 利用两个模型，外部为透明容器，内部为动态液体
  • 如何实现透明渲染 —— 通过透明混合相关设置
  • 如何剔除像素 —— 以模型空间中心点为参考，将其转换到世界空间后，用当前世界空间下的点与该参考点相减，判断若点在参考点上方则剔除；可加入自定义变量控制液面高度
  • 如何模拟波纹效果 —— 使用流动河流相关公式计算，例如：
    某轴位置偏移量 = sin( _Time.y * 波动频率 + 顶点某轴坐标 * 波长的倒数) * 波动幅度

动态液体效果具体实现

主要步骤

  • 新建表面着色器 DynamicLiquid（动态液体）
  • 删除不必要的代码
  • 声明属性以及进行属性映射，属性包括：
    • 液体颜色 _Color
    • 高光颜色和光滑度（RGB做颜色，A做光滑度） _Specular
    • 液体高度 _Height
    • 波纹变化速度 _Speed
    • 波动幅度 _WaveAmplitude
    • 波动频率 _WaveFrequency
    • 波长的倒数 _InvWaveLength
  • 设置透明混合相关参数：
    • RenderType 和 Queue 设置为 Transparent
    • 混合模式使用 Blend DstColor SrcColor
    • 关闭 ZWrite（深度写入）
  • 编译指令设置：
    • 使用 StandardSpecular 光照模型，并禁用阴影（noshadow）
  • 输入结构体中只需包含当前像素的世界坐标位置
  • 实现表面函数：
    1. 模型中心点转换到世界坐标
    2. 计算中心点与像素点 Y 轴坐标差
    3. 像素剔除
    4. 波纹效果偏移计算
    5. 设置漫反射颜色、高光颜色与光滑度

新建表面着色器，删除不必要的代码

Shader "Custom/Lesson16_DynamicLiquid"
{
    Properties
    {
        // 属性将在后续步骤中定义
    }
    SubShader
    {
        Tags
        {
            // 渲染标签将在后续设置
        }

        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf StandardSpecular noshadow

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0

        struct Input
        {
            // 暂无其他输入
        };

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandardSpecular o)
        {
            // 表面函数将在后续实现
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

定义液体Shader所需的各项属性，包括控制液体的颜色、光照效果、液体高度以及波纹效果的属性,并进行属性映射

Properties
{
    // 液体颜色
    _Color("Color", Color) = (1,1,1,1)
    // 高光颜色和光滑度参数
    _Specular("Specular", Color) = (0,0,0,0)
    // 液体的高度
    _Height("Height", Float) = 0

    // 波纹变化速度
    _Speed("Speed", Float) = 1
    // 波动幅度
    _WaveAmplitude("WaveAmplitude", Float) = 1
    // 波动频率
    _WaveFrequency("WaveFrequency", Float) = 1
    // 波长的倒数
    _InvWaveLength("InvWaveLength", Float) = 1
}

fixed4 _Color;
fixed4 _Specular;
float _Height;
float _Speed;
float _WaveAmplitude;
float _WaveFrequency;
float _InvWaveLength;

进行透明混合相关设置

// 设置渲染标签，确保该Shader按透明物体处理，保证混合和绘制顺序正确
Tags
{
    "RenderType"="Transparent" "Queue"="Transparent"
}
// 使用目标颜色与源颜色混合，产生特殊的透明效果
Blend DstColor SrcColor
// 关闭深度写入以防止透明对象深度冲突
ZWrite Off

光照模型我们使用StandardSpecular 并且不要阴影 noshadow

// 使用物理基础标准光照模型，并禁用阴影，使光照计算更简单高效
#pragma surface surf StandardSpecular noshadow

// 指定Shader模型版本为3.0，确保支持更复杂的光照运算
#pragma target 3.0

输入结构体中只需要当前像素的世界坐标位置

// 定义输入结构体，包含传入片段处理的必要数据
struct Input
{
    //世界空间下的像素点的位置
    float3 worldPos;
};

实现表面函数

表面函数流程如下：

  • 将模型空间中心点转换到世界空间，作为液体高度计算的参考基准
  • 计算当前像素点与中心点在 Y 轴方向的高度差，加上液体整体高度微调（乘以 0.01，使变化更加平缓）
  • 利用正弦函数计算波纹偏移，模拟液体表面波动
  • 将波纹效果叠加到液体高度上
  • 通过 step 函数和 clip 函数对液体边界进行精确剔除
  • 最后设置像素的漫反射颜色为液体基本颜色，高光颜色为 Specular 的 RGB，高光平滑度由 Specular 的 Alpha 通道控制
// 表面着色器函数：负责计算每个像素的液体高度，确定该像素是否可见，并设置最终的颜色与光照效果
void surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandardSpecular o)
{
    // 将模型空间下中心点转换到世界空间下，作为液体高度计算的参考基准
    float3 centerPoint = mul(unity_ObjectToWorld, float4(0, 0, 0, 1));

    // 当前像素点和中心点的高度差，加上液体整体高度的微调（乘以0.01使变化更加平缓）
    float liquidHeight = centerPoint.y - IN.worldPos.y + _Height * 0.01;

    // 计算波纹偏移：利用正弦函数制造周期性波动效果，模拟液体表面的波动
    float waveOffset = sin(_Time.y * _WaveFrequency + IN.worldPos.x * _InvWaveLength) * _WaveAmplitude;

    // 将波纹效果叠加到液体高度上，使得液体表面出现动态波纹效果
    liquidHeight += waveOffset;

    // 如果liquidHeight >= 0 则返回1 如果小于0 则返回0
    // 如果是0 就希望被剔除 否则不剔除
    liquidHeight = step(0, liquidHeight);

    // 如果liquidHeight是0 - 0.001 肯定小于0 就会被剔除，不会被渲染，从而形成清晰的液体边界
    clip(liquidHeight - 0.001);

    // 将漫反射颜色设置为液体的基本颜色
    o.Albedo = _Color.rgb;

    // 设置高光颜色，用于产生液体的光泽反射
    o.Specular = _Specular.rgb;

    // 根据_specular的alpha通道设置光滑度，影响反射的锐利度
    o.Smoothness = _Specular.a;
}

动态液体效果的使用

创建两个胶囊体：

  • 一个较大的胶囊体作为容器，使用 Unity 自带 Shader 设置为透明，类似玻璃容器；
  • 一个较小的胶囊体作为大的子对象，用动态液体效果制作为容器中的液体。

可以看到效果如下：

总结

本例详细介绍了动态液体效果的基本原理和具体实现步骤：

  • 从如何容纳液体、透明混合设置、像素剔除到模拟波纹效果，详细说明了原理。
  • 通过新建表面着色器、声明必要属性、设置透明混合、定义输入结构体及实现表面函数，展示了如何实现液体外观效果。
  • 最后，通过创建两个胶囊体模拟容器和液体的组合，演示了动态液体效果在实际场景中的应用。

这种方法利用 Shader 中的各种属性和数学函数，结合透明混合与精细的像素剔除，成功实现了逼真的动态液体效果。

16.2 知识点代码

Lesson16_DynamicLiquid.shader

Shader "Custom/Lesson16_DynamicLiquid"
{
    // 定义了液体Shader所需的各项属性，控制液体的颜色、光照效果、液体高度以及波纹效果
    Properties
    {
        //液体颜色
        _Color("Color", Color) = (1,1,1,1)
        //高光颜色和光滑度参数
        _Specular("Specular", Color) = (0,0,0,0)
        //液体的高度
        _Height("Height", Float) = 0

        //波纹变化速度
        _Speed("Speed", Float) = 1
        //波动幅度
        _WaveAmplitude("WaveAmplitude", Float) = 1
        //波动频率
        _WaveFrequency("WaveFrequency", Float) = 1
        //波长的倒数
        _InvWaveLength("InvWaveLength", Float) = 1
    }
    SubShader
    {
        // 设置渲染标签，确保该Shader按透明物体处理，保证混合和绘制顺序正确
        Tags
        {
            "RenderType"="Transparent" "Queue"="Transparent"
        }
        // 使用目标颜色与源颜色混合，产生特殊的透明效果
        Blend DstColor SrcColor
        // 关闭深度写入以防止透明对象深度冲突
        ZWrite Off

        CGPROGRAM
        // 使用物理基础标准光照模型，并禁用阴影，使光照计算更简单高效
        #pragma surface surf StandardSpecular noshadow

        // 指定Shader模型版本为3.0，确保支持更复杂的光照运算
        #pragma target 3.0

        // 全局变量：储存Shader属性传入的颜色、光照及波纹参数
        fixed4 _Color;
        fixed4 _Specular;
        float _Height;
        float _Speed;
        float _WaveAmplitude;
        float _WaveFrequency;
        float _InvWaveLength;

        // 定义输入结构体，包含传入片段处理的必要数据
        struct Input
        {
            //世界空间下的像素点的位置
            float3 worldPos;
        };

        // 片段着色器函数：负责计算每个像素的液体高度，确定该像素是否可见，并设置最终的颜色与光照效果
        void surf(Input IN, inout SurfaceOutputStandardSpecular o)
        {
            // 将模型空间下中心点转换到世界空间下，作为液体高度计算的参考基准
            float3 centerPoint = mul(unity_ObjectToWorld, float4(0, 0, 0, 1));

            // 当前像素点和中心点的高度差，加上液体整体高度的微调（乘以0.01使变化更加平缓）
            float liquidHeight = centerPoint.y - IN.worldPos.y + _Height * 0.01;

            // 计算波纹偏移：利用正弦函数制造周期性波动效果，模拟液体表面的波动
            float waveOffset = sin(_Time.y * _WaveFrequency + IN.worldPos.x * _InvWaveLength) * _WaveAmplitude;

            // 将波纹效果叠加到液体高度上，使得液体表面出现动态波纹效果
            liquidHeight += waveOffset;

            // 如果liquidHeight >= 0 则返回1 如果小于0 则返回0
            // 如果是0 就希望被剔除 否则不剔除
            liquidHeight = step(0, liquidHeight);

            // 如果liquidHeight是0 - 0.001 肯定小于0 就会被剔除，不会被渲染，从而形成清晰的液体边界
            clip(liquidHeight - 0.001);

            // 将漫反射颜色设置为液体的基本颜色
            o.Albedo = _Color.rgb;

            // 设置高光颜色，用于产生液体的光泽反射
            o.Specular = _Specular.rgb;

            // 根据_specular的alpha通道设置光滑度，影响反射的锐利度
            o.Smoothness = _Specular.a;
        }
        ENDCG
    }
    // 当该Shader不可用时，使用Diffuse Shader作为后备方案
    FallBack "Diffuse"
}

Lesson16_表面着色器_实例分析_动态液体_具体实现.cs

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class Lesson16_表面着色器_实例分析_动态液体_具体实现 : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        #region 知识回顾 动态液体效果 基本原理

        //1.如何被容器装载 —— 两个模型，外部透明，内部动态液体
        //2.如何透明渲染 —— 透明混合相关设置
        //3.如何剔除像素 —— 将模型空间中心点作为参考点，将其转换到世界空间下
        //  再用模型当前世界空间下的点和它进行减法运算
        //  如果判断点在参考点上方的我们便对其进行剔除
        //  可以加入自定义变量控制液面高度
        //4.如何模拟波纹效果 —— 使用流动的河流的相关公式
        //                    某轴位置偏移量 = sin( _Time.y * 波动频率 + 顶点某轴坐标 * 波长的倒数) * 波动幅度

        #endregion

        #region 知识点一 动态液体效果 具体实现

        //1.新建表面着色器 DynamicLiquid(动态液体)
        //2.删除不必要的代码
        //3.声明属性以及属性映射
        //  液体颜色 _Color
        //  高光颜色和光滑度(rgb做颜色 a做光滑度) _Specular
        //  液体高度 _Height
        //  波纹变化速度 _Speed
        //  波动幅度 _WavaAmplitude
        //  波动频率 _WavaFrequency
        //  波长的倒数 _InvWaveLength
        //4.透明混合相关设置
        //  RenderType和Queue为Transparent
        //  Blend DstColor SrcColor
        //  Zwrite Off
        //5.编译指令设置
        //  光照模型我们使用StandardSpecular 并且不要阴影 noshadow
        //6.输入结构体
        //  只需要当前像素的世界坐标位置
        //7.实现表面函数
        //  7-1:模型中心点转世界坐标
        //  7-2:计算中心点和像素点y轴坐标差
        //  7-3:像素剔除
        //  7-4:波纹效果偏移计算
        //  7-5:漫反射颜色、高光颜色、光滑度设置

        #endregion

        #region 知识点二 动态液体效果 的使用

        //1.创建两个胶囊体,一大一小，小的做为大的子对象
        //2.大的胶囊体，用Unity自带Shader设置为透明的，类似玻璃容器
        //3.小的胶囊体，用动态液体效果制作为容器中的液体

        #endregion
    }
}
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