Unity中的雾效

yukamu · 发表于 2021-12-15 20:53

Unity原生是支持雾效的，可以通过Window/Rendering/Lighting Settings设置：

Unity支持3种模式的雾效，Linear，Exponential，Exponential Squared。
Linear模式对应的雾效系数公式如下：

$f = \dfrac{E - c}{E - S}$
其中，E为雾效的结束距离，S为开始距离，c为当前点的雾效坐标。
Exponential模式对应的雾效系数公式如下：

$f = \dfrac{1}{2^{cd}}$
其中，d为雾效的密度系数。
Exponential Squared模式对应的雾效系数公式如下：

$f = \dfrac{1}{2^{(cd)^2}}$
在前向渲染中，我们可以根据雾效系数的值，对雾效颜色和计算出的pixel color进行插值，得到最终的颜色：
float4 ApplyFog (float4 color, Interpolators i) {
float viewDistance = length(_WorldSpaceCameraPos - i.worldPos.xyz);
#if FOG_DEPTH
      viewDistance = UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(i.worldPos.w);
#endif
UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW(viewDistance);
float3 fogColor = 0;
#if defined(FORWARD_BASE_PASS)
      fogColor = unity_FogColor.rgb;
#endif
color.rgb = lerp(fogColor, color.rgb, saturate(unityFogFactor));
return color;
}有两种方式可以计算当前点的雾效坐标，一是计算当前点到相机位置的距离，二是计算当前点在相机空间中的深度z，Unity提供了UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE这个API进行计算，它接受一个齐次剪裁空间下的z作为参数：
#if defined(UNITY_REVERSED_Z)
#if UNITY_REVERSED_Z == 1
      //D3d with reversed Z => z clip range is [near, 0] -> remapping to [0, far]
      //max is required to protect ourselves from near plane not being correct/meaningfull in case of oblique matrices.
      #define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) max(((1.0-(coord)/_ProjectionParams.y)*_ProjectionParams.z),0)
#else
      //GL with reversed z => z clip range is [near, -far] -> should remap in theory but dont do it in practice to save some perf (range is close enough)
      #define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) max(-(coord), 0)
#endif
#elif UNITY_UV_STARTS_AT_TOP
//D3d without reversed z => z clip range is [0, far] -> nothing to do
#define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) (coord)
#else
//Opengl => z clip range is [-near, far] -> should remap in theory but dont do it in practice to save some perf (range is close enough)
#define UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE(coord) (coord)
#endif该函数其实就是根据API的不同，是否启用REVERSE_Z，将clip空间下的z归一化到[0, f]范围内。这里的f为远裁剪面，_ProjectionParams是一个4维向量，它的y分量表示近剪裁面n，z分量表示远剪裁面f。
得到雾效坐标之后，可以代入Unity提供的APIUNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW计算雾效的系数：
#if defined(FOG_LINEAR)
// factor = (end-z)/(end-start) = z * (-1/(end-start)) + (end/(end-start))
#define UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW(coord) float unityFogFactor = (coord) * unity_FogParams.z + unity_FogParams.w
#elif defined(FOG_EXP)
// factor = exp(-density*z)
#define UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW(coord) float unityFogFactor = unity_FogParams.y * (coord); unityFogFactor = exp2(-unityFogFactor)
#elif defined(FOG_EXP2)
// factor = exp(-(density*z)^2)
#define UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW(coord) float unityFogFactor = unity_FogParams.x * (coord); unityFogFactor = exp2(-unityFogFactor*unityFogFactor)
#else
#define UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW(coord) float unityFogFactor = 0.0
#endifunity_FogParams是一个4维向量，保存了Light Setting中的fog相关参数：
// x = density / sqrt(ln(2)), useful for Exp2 mode
// y = density / ln(2), useful for Exp mode
// z = -1/(end-start), useful for Linear mode
// w = end/(end-start), useful for Linear mode
float4 unity_FogParams;计算出雾效系数之后，需要根据当前是否是forward base pass，来考虑是否叠加雾效的颜色。这是因为当有多个光源时，forward pass会执行多次，而实际上我们只需要叠加一次雾效的颜色即可。
而在延迟渲染路径中，要使用雾效则有点麻烦。由于G-Buffer中保存的是场景的几何信息，并非是经过光照计算后的信息，因此无法在geometry pass阶段使用类似前向渲染路径的策略。我们需要通过后处理，将最终输出的颜色和雾效进行叠加计算。后处理使用的shader参考如下：
Shader &#34;Custom/Deferred Fog&#34; {

Properties {
      _MainTex (&#34;Source&#34;, 2D) = &#34;white&#34; {}
}

SubShader {
      Cull Off
      ZTest Always
      ZWrite Off

      Pass {
         CGPROGRAM

         #pragma vertex VertexProgram
         #pragma fragment FragmentProgram

         #pragma multi_compile_fog

         #define FOG_DISTANCE
//       #define FOG_SKYBOX

         #include &#34;UnityCG.cginc&#34;

         sampler2D _MainTex, _CameraDepthTexture;

         float3 _FrustumCorners[4];

         struct VertexData {
            float4 vertex : POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
         };

         struct Interpolators {
            float4 pos : SV_POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;

            #if defined(FOG_DISTANCE)
                  float3 ray : TEXCOORD1;
            #endif
         };

         Interpolators VertexProgram (VertexData v) {
            Interpolators i;
            i.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            i.uv = v.uv;
            #if defined(FOG_DISTANCE)
                  i.ray = _FrustumCorners[v.uv.x + 2 * v.uv.y];
            #endif
            return i;
         }

         float4 FragmentProgram (Interpolators i) : SV_Target {
            float depth = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv);
            depth = Linear01Depth(depth);

            float viewDistance =
                  depth * _ProjectionParams.z - _ProjectionParams.y;
            #if defined(FOG_DISTANCE)
                  viewDistance = length(i.ray * depth);
            #endif

            UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW(viewDistance);
            unityFogFactor = saturate(unityFogFactor);
            #if !defined(FOG_SKYBOX)
                  if (depth > 0.9999) {
                     unityFogFactor = 1;
                  }
            #endif
            #if !defined(FOG_LINEAR) && !defined(FOG_EXP) && !defined(FOG_EXP2)
                  unityFogFactor = 1;
            #endif

            float3 sourceColor = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb;
            float3 foggedColor =
                  lerp(unity_FogColor.rgb, sourceColor, unityFogFactor);
            return float4(foggedColor, 1);
         }

         ENDCG
      }
}
}实现思路与前向渲染类似，只是后处理时，我们的顶点信息实际上只有quad的4个顶点，并不足以计算出当前pixel到相机位置的距离。因此这里还借用了_FrustumCorners参数，它传递的是相机的视锥体信息，通过quad的4个顶点插值出quad的每个pixel到相机位置的射线，乘以当前pixel在相机空间的01深度，就可以算出当前pixel对应的物体到相机位置的距离。另外有一点值得一提的是，为了避免后处理时把雾效颜色混合进skybox，可以人为设定，当相机空间的深度接近远剪裁面时，忽略掉雾效的影响。
Reference
[1] Fog

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