《Unity Shader 入门精要》从Bulit-in 到URP （HLSL）Chapter15.2-水波效果

专业排名

前言：

已经进入“高级篇”啦，但愿大师多多撑持，多多存眷，这将对我发生非常愉悦的正反馈~

“《Unity Shader 入门精要》从Bulit-in 到URP”是一个辅佐Unity Shader学习者以冯乐乐女神《Unity Shader 入门精要》为基础学习用HLSL语言编写URP着色器的案例教学系列。

作者自学能力有限，抛砖引玉，如有建议和问题请各位大佬和同仁交流斧正。

Bulit-in版：

1. // Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
2. // Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'
4. Shader ”Unity Shaders Book/Chapter 15/Water Wave” {
5.         Properties {
6.                 _Color (”Main Color”, Color) = (0, 0.15, 0.115, 1)
7.                 _MainTex (”Base (RGB)”, 2D) = ”white” {}
8.                 _WaveMap (”Wave Map”, 2D) = ”bump” {}
9.                 _Cubemap (”Environment Cubemap”, Cube) = ”_Skybox” {}
10.                 _WaveXSpeed (”Wave Horizontal Speed”, Range(-0.1, 0.1)) = 0.01
11.                 _WaveYSpeed (”Wave Vertical Speed”, Range(-0.1, 0.1)) = 0.01
12.                 _Distortion (”Distortion”, Range(0, 100)) = 10
13.         }
14.         SubShader {
15.                 // We must be transparent, so other objects are drawn before this one.
16.                 Tags { ”Queue”=”Transparent” ”RenderType”=”Opaque” }
17.                
18.                 // This pass grabs the screen behind the object into a texture.
19.                 // We can access the result in the next pass as _RefractionTex
20.                 GrabPass { ”_RefractionTex” }
21.                
22.                 Pass {
23.                         Tags { ”LightMode”=”ForwardBase” }
24.                        
25.                         CGPROGRAM
26.                        
27.                         #include ”UnityCG.cginc”
28.                         #include ”Lighting.cginc”
29.                        
30.                         #pragma multi_compile_fwdbase
31.                        
32.                         #pragma vertex vert
33.                         #pragma fragment frag
34.                        
35.                         fixed4 _Color;
36.                         sampler2D _MainTex;
37.                         float4 _MainTex_ST;
38.                         sampler2D _WaveMap;
39.                         float4 _WaveMap_ST;
40.                         samplerCUBE _Cubemap;
41.                         fixed _WaveXSpeed;
42.                         fixed _WaveYSpeed;
43.                         float _Distortion;       
44.                         sampler2D _RefractionTex;
45.                         float4 _RefractionTex_TexelSize;
46.                        
47.                         struct a2v {
48.                                 float4 vertex : POSITION;
49.                                 float3 normal : NORMAL;
50.                                 float4 tangent : TANGENT;
51.                                 float4 texcoord : TEXCOORD0;
52.                         };
53.                        
54.                         struct v2f {
55.                                 float4 pos : SV_POSITION;
56.                                 float4 scrPos : TEXCOORD0;
57.                                 float4 uv : TEXCOORD1;
58.                                 float4 TtoW0 : TEXCOORD2;  
59.                                 float4 TtoW1 : TEXCOORD3;  
60.                                 float4 TtoW2 : TEXCOORD4;
61.                         };
62.                        
63.                         v2f vert(a2v v) {
64.                                 v2f o;
65.                                 o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
66.                                
67.                                 o.scrPos = ComputeGrabScreenPos(o.pos);
68.                                
69.                                 o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
70.                                 o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _WaveMap);
71.                                
72.                                 float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;  
73.                                 fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  
74.                                 fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);  
75.                                 fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w;
76.                                
77.                                 o.TtoW0 = float4(worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x, worldPos.x);  
78.                                 o.TtoW1 = float4(worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y, worldPos.y);  
79.                                 o.TtoW2 = float4(worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z, worldPos.z);  
80.                                
81.                                 return o;
82.                         }
83.                        
84.                         fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
85.                                 float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w, i.TtoW1.w, i.TtoW2.w);
86.                                 fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
87.                                 float2 speed = _Time.y * float2(_WaveXSpeed, _WaveYSpeed);
88.                                
89.                                 // Get the normal in tangent space
90.                                 fixed3 bump1 = UnpackNormal(tex2D(_WaveMap, i.uv.zw + speed)).rgb;
91.                                 fixed3 bump2 = UnpackNormal(tex2D(_WaveMap, i.uv.zw - speed)).rgb;
92.                                 fixed3 bump = normalize(bump1 + bump2);
93.                                
94.                                 // Compute the offset in tangent space
95.                                 float2 offset = bump.xy * _Distortion * _RefractionTex_TexelSize.xy;
96.                                 i.scrPos.xy = offset * i.scrPos.z + i.scrPos.xy;
97.                                 fixed3 refrCol = tex2D( _RefractionTex, i.scrPos.xy/i.scrPos.w).rgb;
98.                                
99.                                 // Convert the normal to world space
100.                                 bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz, bump), dot(i.TtoW1.xyz, bump), dot(i.TtoW2.xyz, bump)));
101.                                 fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv.xy + speed);
102.                                 fixed3 reflDir = reflect(-viewDir, bump);
103.                                 fixed3 reflCol = texCUBE(_Cubemap, reflDir).rgb * texColor.rgb * _Color.rgb;
104.                                
105.                                 fixed fresnel = pow(1 - saturate(dot(viewDir, bump)), 4);
106.                                 fixed3 finalColor = reflCol * fresnel + refrCol * (1 - fresnel);
107.                                
108.                                 return fixed4(finalColor, 1);
109.                         }
110.                        
111.                         ENDCG
112.                 }
113.         }
114.         // Do not cast shadow
115.         FallBack Off
116. }

复制代码

URP版：

Unity项目源码：
注意：在URP中GrabPass { ”_RefractionTex” }被打消，我们需要使用unity自带的屏幕空间Opaque贴图，即“_CameraOpaqueTexture”，只需在URP Asset 的Inspector窗口打开下图选项就可以在shader中直接调用。

1. Shader ”Unlit/Chapter15-WaterWave”
2. {
3.     Properties {
4.                 _Color (”Main Color”, Color) = (0, 0.15, 0.115, 1)
5.                 _MainTex (”Base (RGB)”, 2D) = ”white” {}
6.                 _WaveMap (”Wave Map”, 2D) = ”bump” {}
7.                 _Cubemap (”Environment Cubemap”, Cube) = ”_Skybox” {}
8.                 _WaveXSpeed (”Wave Horizontal Speed”, Range(-0.1, 0.1)) = 0.01
9.                 _WaveYSpeed (”Wave Vertical Speed”, Range(-0.1, 0.1)) = 0.01
10.                 _Distortion (”Distortion”, Range(0, 100)) = 10
11.         }
12.     SubShader {
13.                 // We must be transparent, so other objects are drawn before this one.
14.                 Tags {”RenderPipeline” = ”UniversalPipeline” ”Queue”=”Transparent” ”RenderType”=”Opaque” }
15.                
16.                 // This pass grabs the screen behind the object into a texture.
17.                 // We can access the result in the next pass as _RefractionTex
18.                 //GrabPass { ”_RefractionTex” }
19.                
20.                 Pass {
21.                         Tags { ”LightMode”=”UniversalForward” }
22.                        
23.                         HLSLPROGRAM
24.                        
25.                         #pragma vertex vert
26.                         #pragma fragment frag
27.                        
28.             #include ”Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl”
29.                     #include ”Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl”
31.         CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
32.             half4 _Color;
33.                         float4 _MainTex_ST;
34.                         float4 _WaveMap_ST;
35.                         half _WaveXSpeed;
36.                         half _WaveYSpeed;
37.                         float _Distortion;       
38.                         float4 _CameraOpaqueTexture_TexelSize;
39.         CBUFFER_END
40.                        
41.                         TEXTURE2D(_MainTex);                SAMPLER(sampler_MainTex);
42.             TEXTURE2D(_WaveMap);                SAMPLER(sampler_WaveMap);
43.             TEXTURE2D(_CameraOpaqueTexture);    SAMPLER(sampler_CameraOpaqueTexture);
45.             TEXTURECUBE(_Cubemap);              SAMPLER(sampler_Cubemap);
46.                        
47.                         struct a2v {
48.                                 float4 vertex : POSITION;
49.                                 float3 normal : NORMAL;
50.                                 float4 tangent : TANGENT;
51.                                 float4 texcoord : TEXCOORD0;
52.                         };
53.                        
54.                         struct v2f {
55.                                 float4 pos : SV_POSITION;
56.                                 float4 scrPos : TEXCOORD0;
57.                                 float4 uv : TEXCOORD1;
58.                                 float4 TtoW0 : TEXCOORD2;  
59.                                 float4 TtoW1 : TEXCOORD3;  
60.                                 float4 TtoW2 : TEXCOORD4;
61.                         };
62.                        
63.                         v2f vert(a2v v) {
64.                                 v2f o;
65.                                
66.                 VertexPositionInputs positionInputs = GetVertexPositionInputs(v.vertex.xyz);
67.                 o.pos = positionInputs.positionCS;
68.                 VertexNormalInputs normalInput = GetVertexNormalInputs(v.normal, v.tangent);
69.                
70.                 //o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
71.                                
72.                                 o.scrPos = positionInputs.positionNDC;
73.                                
74.                                 o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
75.                                 o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _WaveMap);
76.                                
77.                                 o.TtoW0 = float4(normalInput.tangentWS.x, normalInput.bitangentWS.x, normalInput.normalWS.x, positionInputs.positionWS.x);  
78.                                 o.TtoW1 = float4(normalInput.tangentWS.y, normalInput.bitangentWS.y, normalInput.normalWS.y, positionInputs.positionWS.y);  
79.                                 o.TtoW2 = float4(normalInput.tangentWS.z, normalInput.bitangentWS.z, normalInput.normalWS.z, positionInputs.positionWS.z);  
80.                                
81.                                 return o;
82.                         }
83.                        
84.                         half4 frag(v2f i) : SV_Target {
85.                                 float3 positionWS = float3(i.TtoW0.w, i.TtoW1.w, i.TtoW2.w);
86.                                 half3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - positionWS);
87.                                 float2 speed = _Time.y * float2(_WaveXSpeed, _WaveYSpeed);
88.                                
89.                                 // Get the normal in tangent space
90.                                 half3 bump1 = UnpackNormal(SAMPLE_TEXTURE2D(_WaveMap, sampler_WaveMap, i.uv.zw + speed)).rgb;
91.                                 half3 bump2 = UnpackNormal(SAMPLE_TEXTURE2D(_WaveMap, sampler_WaveMap, i.uv.zw - speed)).rgb;
92.                                 half3 bump = normalize(bump1 + bump2);
93.                                
94.                                 // Compute the offset in tangent space
95.                                 float2 offset = bump.xy * _Distortion * _CameraOpaqueTexture_TexelSize.xy;
96.                                 i.scrPos.xy = offset * i.scrPos.z + i.scrPos.xy;
97.                                 half3 refrCol = SAMPLE_TEXTURE2D( _CameraOpaqueTexture, sampler_CameraOpaqueTexture, i.scrPos.xy/i.scrPos.w).rgb;
98.                                
99.                                 // Convert the normal to world space
100.                                 bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz, bump), dot(i.TtoW1.xyz, bump), dot(i.TtoW2.xyz, bump)));
101.                                 half4 texColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, i.uv.xy + speed);
102.                                 half3 reflDir = reflect(-viewDir, bump);
103.                                 half3 reflCol = SAMPLE_TEXTURECUBE(_Cubemap, sampler_Cubemap, reflDir).rgb * texColor.rgb * _Color.rgb;
104.                                
105.                                 half fresnel = pow(1 - saturate(dot(viewDir, bump)), 4);
106.                                 half3 finalColor = reflCol * fresnel + refrCol * (1 - fresnel);
107.                                
108.                                 return half4(finalColor, 1);
109.                         }
110.                        
111.                         ENDHLSL
112.                 }
113.         }
114.         FallBack ”Packages/com.unity.render-pipelines.universal/FallbackError”
115. }

复制代码

效果图：





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