【Unity Shader】渲染纹理(镜子与玻璃)

一般来说,一个摄像机的渲染结果会输出到颜色缓冲之中,并显示到我们的屏幕上。现代的GPU允许我们把整个三维场景渲染到一个中间缓冲中,即渲染目标纹理(RTT),而不是传统的帧缓冲或者后备缓冲。与之相关的是多重渲染目标(MRT),这个技术指的是GPU允许我们把场景同时渲染到多个渲染目标纹理之中。延迟渲染就是多重渲染目标的一个应用。

Unity为目标纹理定义了一种专门的纹理类型–渲染纹理
在Unity中一般有两种方式使用:
1.一种方式是在目录下创建一个渲染纹理,然后把某个摄像机的渲染目标设置成该渲染纹理,这样一来该摄像机的渲染结果就会实时更新到渲染纹理中,而不会显示到屏幕上。(镜子效果的原理)
2.在屏幕后处理时使用GrabPass命令或者OnRenderImage函数来获取当前的屏幕图像。Unity会把这个图像放到一张和屏幕分辨率等同的渲染纹理之中。

镜子的效果非常简单,我们只需要在Shader中水平翻转一下采样纹理就可以了(不过要先建立一个摄像机来获取这个纹理)
效果:
【Unity Shader】渲染纹理(镜子与玻璃)
我这里对的不是很齐,需要调整相机位置,远*面裁剪参数和相机视角才能得到正确的值。这里就先不用了,因为只是为了实现这个效果。
记得建立完Mirror Texture后,把相机的输出目标改动一下
Shader代码:

// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

Shader "Unlit/Mirror"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags {"RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry"}

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            sampler2D _MainTex;

            struct a2v{
                float4 vertex : POSITION;
                float3 texcoord : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f{
                float4 pos : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;  
            };

            v2f vert(a2v v){
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                o.uv = v.texcoord;
                o.uv.x = 1 - o.uv.x;//翻转坐标得到镜像采样数据

                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{
                return tex2D(_MainTex,i.uv);
            }

            ENDCG
        }
    }
    FallBack off
}

玻璃效果(采用GrabPass)
我个人觉得这个方式稍稍复杂一点。
当我们在Shader中定义了一个GrabPass之后,Unity会把当前屏幕的图像绘制在一张纹理之中,以便我们在后续的Pass中访问它。
还需要注意的是我们要正确的设置物体的渲染队列。尽管代码中可能不包括混合指令,但是我们仍然需要把渲染队列设置成透明队列这样才可以保证在渲染该物体的时候,所有的不透明物体都已经被绘制在了屏幕上,从而获取正确的屏幕图像。

玻璃材质原理如下:

首先使用一张法线纹理来修改模型的法线信息(这一步其实可以忽略)
然后通过之前的反射方法,通过一个Cubemap来模拟玻璃的反射。
而在模拟折射的时候,则使用了GrabPass来获取玻璃后面的屏幕图像,并且使用切线空间下的法线对屏幕纹理偏移后,再对屏幕图像进行采样来模拟近似的折射效果。
效果图:
【Unity Shader】渲染纹理(镜子与玻璃)
Shader代码:

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

Shader "Unlit/GlassRefraction"
{
    Properties {
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_BumpMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
		_Cubemap ("Environment Cubemap", Cube) = "_Skybox" {}
		_Distortion ("Distortion", Range(0, 100)) = 10
		_RefractAmount ("Refract Amount", Range(0.0, 1.0)) = 1.0
	}
	SubShader {
		// We must be transparent, so other objects are drawn before this one.
		Tags { "Queue"="Transparent" "RenderType"="Opaque" }
		
		// This pass grabs the screen behind the object into a texture.
		// We can access the result in the next pass as _RefractionTex
		GrabPass { "_RefractionTex" }
		
		Pass {		
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "UnityCG.cginc"
			
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			sampler2D _BumpMap;
			float4 _BumpMap_ST;
			samplerCUBE _Cubemap;
			float _Distortion;
			fixed _RefractAmount;
			sampler2D _RefractionTex;
			float4 _RefractionTex_TexelSize;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 tangent : TANGENT; 
				float2 texcoord: TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float4 scrPos : TEXCOORD0;
				float4 uv : TEXCOORD1;
				float4 TtoW0 : TEXCOORD2;  
			    float4 TtoW1 : TEXCOORD3;  
			    float4 TtoW2 : TEXCOORD4; 
			};
			
			v2f vert (a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				
				o.scrPos = ComputeGrabScreenPos(o.pos);
				
				o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
				o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _BumpMap);
				
				float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;  
				fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  
				fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);  
				fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w; 
				
				o.TtoW0 = float4(worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x, worldPos.x);  
				o.TtoW1 = float4(worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y, worldPos.y);  
				o.TtoW2 = float4(worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z, worldPos.z);  
				
				return o;
			}
			
			fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {		
				float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w, i.TtoW1.w, i.TtoW2.w);
				fixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
				
				// Get the normal in tangent space
				fixed3 bump = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, i.uv.zw));	
				
				// Compute the offset in tangent space
				float2 offset = bump.xy * _Distortion * _RefractionTex_TexelSize.xy;
				i.scrPos.xy = offset * i.scrPos.z + i.scrPos.xy;
				fixed3 refrCol = tex2D(_RefractionTex, i.scrPos.xy/i.scrPos.w).rgb;
				
				// Convert the normal to world space
				bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz, bump), dot(i.TtoW1.xyz, bump), dot(i.TtoW2.xyz, bump)));
				fixed3 reflDir = reflect(-worldViewDir, bump);
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
				fixed3 reflCol = texCUBE(_Cubemap, reflDir).rgb * texColor.rgb;
				
				fixed3 finalColor = reflCol * (1 - _RefractAmount) + refrCol * _RefractAmount;
				
				return fixed4(finalColor, 1);
			}
			
			ENDCG
		}
	}
	
	FallBack "Diffuse"
}

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