3D渲染技术分享:实时水面渲染方案(反射、折射、水深与水岸柔边) ...

2022-3-26 09:11Toireereeneve 643 0

一、开篇

自从上次写了《用实时反射Shader增强画面颜值》 后,不少开发者开始尝试用它来渲染水面,但效果都差强人意。

这是因为,水面除了反射,还有许多细节需要考虑。

在此之前,也有不少开发者提到过水面渲染的需求,也有不少开发者分享了一些关于水面渲染的 Shader,但更多集中在卡通着色方向。

水面渲染在3D项目中的需求是非常大的,毕竟地球表面水面占了约 70.8%,很难避开水面效果。

近期引擎团队的 youyou 大佬也分享了一个水面渲染效果,包含 平面反射、FSR、SSAO、TAA 等诸多实时渲染技术。

但该 DEMO 基于 Cocos Creator 延迟渲染管线,对项目和设备要求较高,所以麒麟子专门准备了这个独立的水面效果分享,希望能够对大家有所帮助。

二、水面渲染流程

水面渲染技术非常多,不同段位的产品,对水面的要求不同。

毛星云的 《真实感水体渲染技术总结》 这篇文章中,通过对一些3A大作的水面渲染进行分析,列出了非常多的技术要点,有兴趣的朋友可以拜读。

水面渲染技术从简单到复杂来排序,可以分为以下三类:

  • 平面着色


  • 顶点动画


  • 流体模拟


本文实现的是 基于平面着色 的水面效果,虽然它并非高端效果,但却是大部分 3D 项目中采用的方案。

基于平面着色的水面渲染主要涉及以下几个部分:

  • 反射
  • 折射
  • 水深效果
  • 水岸柔边
  • 动态天空盒
  • 法线图与光照
  • 岸边浪花
由于时间关系,法线图与光照岸边浪花 暂未实现。

标准的渲染流程如下所示:

可以看出,如果要实现所有效果,至少需要绘制场景 4 次。

由于这里的深度图只是和折射搭配使用,8 位精度足够用了,我们可以考虑借用折射图中的 Alpha 通道来存储深度信息。

优化后的流程图如下:

三、反射贴图渲染

麒麟子写的另一篇文章 《用实时反射Shader增强画面颜值》 中已经完整地剖析了实时反射相关原理,在此就不再敷述,有需要了解的读者可去麒麟子的媒体号上查阅。

这里主要讲一讲本 DEMO 中的实现步骤。

步骤1、 使用代码新建一个 RenderTexture

步骤2、 创建一个节点,添加摄像机组件,并将 clearFlagsclearColorvisibility 属性与主摄像机同步。

步骤3、 设置反射摄像机的渲染优先级,确保比主摄像机先渲染。

步骤4、 将新创建的 RenderTexture 赋值给此摄像机的 targetTexture 属性。

以上步骤的代码在 WaterPlane.ts 中,如下图所示:


步骤5、lateUpdate 中同步主摄像机参数。

步骤6、lateUpdate 中根据实时反射原理,动态计算摄像机关于主摄像机的镜像位置和旋转。

最终,渲染得到的 RenderTexture 如下:

麒麟小贴士:
所有物体的材质,需要加入自定义裁剪面,裁剪掉水面以下的部分。
可以明显看到,上图中绿色物体的倒影,水面以下的部分是被裁剪掉了的。

四、折射贴图渲染

折射渲染的原理非常简单:

  • 渲染水平面以下的部分到 RenderTexture
  • 在水面渲染阶段使用噪声图进行扰动,以模拟出水面折射效果

折射渲染的流程与反射渲染大致相同,只有两个细小的差别:

  • 用于折射渲染的摄像机所有参数均与主摄像保持一致即可
  • 折射渲染阶段,物体被裁剪掉的是水面以上的部分

下面我们来看看,本 DEMO 中关于折射的实现步骤。

步骤1、 使用代码新建一个 RenderTexture

步骤2、 创建一个节点,添加摄像机组件,并将 clearFlagsclearColorvisibility 属性与主摄像机同步。

步骤3、 设置反射摄像机的渲染优先级,确保比主摄像机先渲染。

步骤4、 将新创建的 RenderTexture 赋值给此摄像机的 targetTexture 属性。

以上步骤的代码在 WaterPlane.ts 中,如下图所示:

麒麟小贴士: 注意红色线框部分,本 DEMO 中折射贴图的 Alpha 通道用于标记深度信息,所以需要确保 Alpha 通道的值为 255

步骤5、lateUpdate 中同步主摄像机参数、位置、旋转等信息。

最终,渲染得到的 RenderTexture 如下:

五、水面渲染

水面渲染主要利用了投影纹理技术,将顶点的投影坐标转化为UV,对折射和反射贴图进行采样。

由于使用了折射贴图,我们的水面材质不需要开启 Alpha 混合。

折射渲染

步骤1、 根据投影坐标计算出屏幕UV。如下所示:

vec2 screenUV = v_screenPos.xy / v_screenPos.w * 0.5 + 0.5;

步骤2、 采样折射贴图,可以得到如下渲染效果:

左边为正常渲染效果,右边为标记了折射内容的效果

步骤3、 使用噪声图对折射进行扰动,可得到如下效果:

反射渲染

步骤1、 与折射渲染一样,根据投影坐标计算出屏幕UV。

步骤2、 采样反射贴图,可以得到如下渲染效果:

步骤3、 使用噪声图对反射进行扰动,可得到如下效果:

菲涅尔混合

菲涅尔的计算公式从玉兔的边缘光教程开始,到实时反射等场合,已经出现过很多次了。下面是核心代码:

折射可以视为水体本色,利用菲涅尔因子与反射内容混合,即可实现一个带折射和反射的水体效果。

伪代码如下:

finalColor = mix(refractionColor,reflectionColor,fresnel)

最终可以得到如下显示效果:

完整代码代码请查看项目中的 effect-water.effect 文件。

六、水深效果

从上面的动画中可以看出,虽然折射和反射效果都有了。但画风有些奇怪,完全没有水面的感觉。

这是水面没有深浅效果导致的。

我们来看看,如何获取深度信息,并根据深度信息实现水深效果。

获取深度信息

从上图中,我们可以清晰地看到,靠近岸边的海水的颜色比远处海水的颜色透明得多。

产生这种现象的主要原因,就是 基于视线方向的水体厚度 不同。

什么叫基于视线方向的水体厚度,请看下图:


我们通常说的水体深度,是指在忽略视线因素的情况,水面到水底的高度差。

在不追究细节的情况下,我们可以简单地使用高度差来作为水的深度。

一种可能的伪代码如下:

depth = clamp((g_waterLevel - v_position.y) * depthScale,0.0,1.0);

其中 depthScale 是我们的深度缩放因子,可以用来调节比例尺问题,以及水体能见度线性衰减速率。

而基于视线方向的水体厚度,是指视线方向与水平面和水底交点的距离差。 即图中 点 P1 到 点 P2 的距离。

下面我们来推导一下,使用 基于视线方向水体的厚度 来作为深度因子的公式。

许多朋友第一反应是解直线方程,但用空间向量的特性来求解会更容易。

为方便对照理解,再贴一次上面的图:


设观察方向为 viewDir,厚度为 depth 则有:

P1 + viewDir * depth = P2

分拆为分量运算可得:

P1.x + viewDir.x * depth = P2.x

P1.y + viewDir.y * depth = P2.y

P1.z + viewDir.z * depth = P2.z

可推导出:

depth = (P2.y - P1.y) / viewDir.y

由此可得如下计算公式:

vec3 viewDir = normalize(v_position.xyz - cc_cameraPos.xyz);

float depth = (v_position.y - g_waterLevel) / viewDir.y

depth = clamp(depth * depthScale,0.0,1.0);

比起直接使用水体深度来说,多了一次求 viewDir 单位向量的运算,以及一次除以 viewDir.y 运算。

在非极端情况下,多出的这一点纯逻辑运算在 GPU 上是可以忽略不计的,可以放心使用。

将上述公式添加到渲染对象的 Shader 中,并在折射渲染阶段启用,将结果存入 Alpha 通道即可。

项目中的 Shader 代码如下图所示:

最终得到的深度信息如下:

深度混合

有了上面的深度信息,我们只需要在计算出折射颜色后,再用深度信息与水底颜色混合即可。Shader 代码如下图所示:

由于水体的可见度是非线性的,所以对 diffDepth 使用了 pow 函数,这个 power 参数默认是 2.0

最终可以得到如下效果:

六、水岸柔边

当我们把摄像机拉近,观察水面与物体交接处的时候,可以明显看到一条清晰的边界。

这条边界在反射越强的时候越明显,使我们的水面效果大打折扣。

好在我们已经有了深度信息,可以根据深度来判断出哪里靠近岸边,并修改菲涅尔因子,使反射越靠近岸边的时候越弱即可。

核心代码如下:

最终可以实现在全反射的情况下,水面与岸边依然平滑过渡。效果如下图所示:

再来一张远视角的图:

七、动态天空盒

为了增强氛围感,DEMO 中使用了动态天空盒。

这是一个特别简单的高效的动态天空盒方案,仅使用了一个双层纹理混合的半球模型,调节两张纹理的水平方向流动速度即可。

八、关于DEMO

所有效果参数均可调节,如下图所示:

本DEMO可从 Cocos 资源商城获取:


配套视频:

基于平面着色的实时水面渲染Shader(折射+反射+水深+水岸柔边) +配套文章 麒麟子的视频  · 206 播放


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