Unity中水着色器的基本应用与调整

# 1. 简介

## 1.1 什么是水着色器

水着色器是一种用于模拟水体效果的着色器，它可以在计算机图形中实现逼真的水体模拟。水着色器通过控制水体的透明度、颜色、反射、折射等属性，使得水体在虚拟场景中呈现出自然流动、波纹涟漪的效果。

## 1.2 Unity中水着色器的作用与应用场景

在游戏开发中，水着色器常被用于模拟水体效果，使游戏场景更加真实。它可以应用在各种场景中，比如海洋、湖泊、河流等水域环境的渲染，以及游泳池、水面反射等特效的实现。水着色器还可以使用交互效果，让玩家能够与水体进行互动，比如投入物体、波浪荡漾等。

在Unity中，可以通过调整水着色器的属性参数来实现不同的水体效果，还可以通过添加纹理贴图、使用顶点着色器等方式来增强水体的真实感和动态效果。接下来我们将逐步介绍如何调整水体的基本属性，并展示如何使用纹理贴图、实时计算和交互效果来创建逼真的水体场景。

# 2. 水体基本属性调整

水体的基本属性调整是指可以通过调整水体的颜色、透明度、波纹效果、反射与折射效果等参数来改变水体的外观和效果。在Unity中，我们可以使用水着色器来实现这些调整。

#### 2.1 设置水体的颜色与透明度

首先，我们可以通过修改水体的颜色和透明度来改变水体的外观。

Shader "Custom/WaterShader" {
    Properties {
        _Color ("Water Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _Alpha ("Water Alpha", Range(0.0, 1.0)) = 1.0
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Transparent" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert alpha

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        fixed4 _Color;
        float _Alpha;

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutputAlpha o) {
            fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a * _Alpha;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

如上所示，我们在水着色器中添加了两个属性：_Color用于调整水体的颜色，_Alpha用于调整水体的透明度。在surf函数中，我们通过修改SurfaceOutputAlpha结构体的Albedo和Alpha属性来改变水体的颜色和透明度。

在场景中使用这个水着色器，并调整颜色和透明度的值，即可实现水体的颜色和透明度调整效果。

#### 2.2 控制水体的波纹效果

水体的波纹效果可以通过在水着色器中添加一个控制参数来实现。

Shader "Custom/WaterShader" {
    Properties {
        ...
        _WaveSpeed ("Wave Speed", Float) = 1.0
    }
    SubShader {
        ...
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert alpha

        ...
        float _WaveSpeed;

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutputAlpha o) {
            ...
            float waveAnim = _WaveSpeed * _Time.y;
            o.Albedo = c.rgb + sin(waveAnim + IN.uv_MainTex.x * 10.0) * 0.1;
            o.Alpha = c.a * _Alpha;
        }
        ENDCG
    }
    ...
}

在上述代码中，我们在水着色器中添加了一个名为_WaveSpeed的属性，用于控制波纹的速度。在surf函数中，通过将_WaveSpeed乘以_Time.y来实现波纹动画效果。同时，在计算Albedo属性时，还使用了sin函数来添加波纹效果。

通过调整_WaveSpeed的值，可以改变水体的波纹效果。

#### 2.3 调整水体的反射与折射效果

除了基本的颜色、透明度和波纹效果外，我们还可以调整水体的反射和折射效果，使其更加真实逼真。

Shader "Custom/WaterShader" {
    Properties {
        ...
        _ReflectionTex("Reflection Texture", 2D) = "" {}
        _RefractionTex("Refraction Texture", 2D) = "" {}
        _RefractionScale("Refraction Scale", Range(0.1, 10.0)) = 1.0
    }
    SubShader {
        ...
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert alpha

        ...
        sampler2D _ReflectionTex;
        sampler2D _RefractionTex;
        float _RefractionScale;

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutputAlpha o) {
            ...
            fixed4 reflectionColor = tex2D(_ReflectionTex, IN.uv_MainTex);
            fixed4 refractionColor = tex2D(_RefractionTex, IN.uv_MainTex);

            float refractionAmount = _RefractionScale * 0.1;
            float reflectionAmount = 1.0 - refractionAmount;

            o.Albedo = c.rgb * refractionAmount + reflectionColor.rgb * reflectionAmount;
            o.Alpha = c.a * _Alpha;
        }
        ENDCG
    }
    ...
}

在上述代码中，我们添加了两个属性：_ReflectionTex和_RefractionTex，分别用于设置反射和折射的纹理贴图。同时，我们还添加了属性_RefractionScale，用于调整折射的程度。

在surf函数中，我们通过tex2D函数获取反射和折射的颜色，并根据_RefractionScale的值来计算出反射和折射的比例。最后，将这两部分的颜色进行融合，得到水体的最终颜色。

通过调整_ReflectionTex、_RefractionTex和_RefractionScale的值，可以改变水体的反射和折射效果。

# 3. 使用纹理贴图增强水体效果

在游戏中，我们经常需要通过纹理贴图来增强水体的真实感和视觉效果。通过添加适当的纹理贴图，我们可以模拟出水面的波浪、浪花和光泽效果，从而使水体看起来更加逼真和生动。

#### 3.1 添加纹理贴图

首先，我们需要准备一些水面纹理贴图，这些贴图可以是波纹、水泡、浪花等水体特征。在Unity中，我们可以通过创建材质，并将纹理贴图应用到材质上，然后再将材质应用到水体的网格上，从而实现纹理贴图的添加。

下面是一个简单的示例代码，演示了如何在Unity中为水体添加纹理贴图：

using UnityEngine;

public class WaterTexture : MonoBehaviour
{
    public Material waterMaterial;
    public Texture2D waterTexture;

    void Start()
    {
        waterMaterial.mainTexture = waterTexture;
    }
}

在上面的代码中，我们首先创建了一个名为WaterTexture的脚本，并在其中声明了一个公开的水材质和水贴图属性。在Start方法中，我们将水贴图赋值给水材质的主纹理，从而实现了水贴图的添加。

#### 3.2 调整纹理贴图的缩放与平铺

在实际开发中，我们通常还需要根据实际需求调整纹理贴图的缩放和平铺效果，以使水体的纹理显得更加自然和真实。

在Unity中，我们可以通过在材质面板中调整纹理的Tiling和Offset属性来实现对纹理贴图的缩放和平铺控制。通常情况下，我们可以根据场景中水体的大小和形状来动态调整纹理的Tiling和Offset属性值，从而使纹理贴图在水体上呈现出理想的效果。

#### 3.3 使用骨骼动画改变水体的形状

除了静态的纹理贴图，我们还可以通过动态的骨骼动画来改变水体的形状，例如模拟水波的起伏和流动。在Unity中，我们可以使用Shader和脚本来实现水体的骨骼动画效果，从而使水体看起来更加生动和具有交互性。

通过以上方法，我们可以很好地使用纹理贴图来增强水体的视觉效果，同时也可以通过骨骼动画来使水体呈现出更加自然和生动的动态效果。

# 4. 实时计算水体效果

在制作逼真的水体效果时，实时计算水体的效果是非常重要的。通过计算水体的波动、流动、涟漪等效果，可以让水体看起来更加生动和真实。在Unity中，可以通过定制水着色器的顶点着色器来实现这些效果。

#### 4.1 使用顶点着色器模拟水体波动

顶点着色器可以用来模拟水体的波动效果。我们可以通过在顶点着色器中对顶点的位置进行动态调整来实现水体的波动效果。下面是一个简单的顶点着色器示例：

Shader "Custom/WaterShader"
{
    Properties
    {
        _WaveStrength ("Wave Strength", Float) = 0.1
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert vertex:vert
        #pragma target 3.0

        sampler2D _MainTex;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void vert (inout appdata_full v)
        {
            // 模拟水体波动效果
            float waveOffset = sin(_Time.y * 2 * 3.14159) * _WaveStrength;
            v.vertex.z += waveOffset;
        }

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

在上面的示例中，我们在顶点着色器中使用了`vert`函数来修改顶点的位置，通过使用时间来模拟水体的波动效果。这样就可以实现一个简单的水体波动效果。

#### 4.2 实现水流与涟漪效果

除了波动效果，我们还可以在顶点着色器中实现水流和涟漪效果。通过调整顶点的位移和法线，可以模拟出水体中的流动和涟漪效果，让水体看起来更加生动。

void vert (inout appdata_full v)
{
    // 模拟水体流动效果
    float flowOffsetX = sin(_Time.y * 2 * 3.14159) * 0.01;
    float flowOffsetY = cos(_Time.y * 2 * 3.14159) * 0.01;
    v.vertex.x += flowOffsetX;
    v.vertex.y += flowOffsetY;

    // 模拟水体涟漪效果
    float rippleScale = 0.1;
    float2 rippleUV = float2(v.vertex.x * rippleScale, v.vertex.y * rippleScale);
    float rippleOffset = tex2D(_RippleTex, rippleUV).r * 0.1;
    v.vertex.z += rippleOffset;

    // 调整法线
    float3 offsetNormal = float3(flowOffsetX, flowOffsetY, rippleOffset);
    v.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal + offsetNormal);
}

在上面的示例中，我们通过模拟水体的流动和涟漪效果，进一步增强了水体的真实感。

#### 4.3 优化性能与帧率

在实时计算水体效果时，需要注意对性能的优化，避免影响游戏的帧率。可以通过以下方式来优化性能：

- 使用GPU加速：尽量使用GPU进行计算，减轻CPU的负担，提高计算效率。
- 减少顶点数量：合理控制水体的顶点数量，避免过于密集的顶点影响计算性能。
- 根据距离调整计算精度：可以根据摄像机与水体的距离，动态调整计算精度，避免远处水体的过度计算。

通过以上优化措施，可以更好地实现水体的实时计算效果，并保持游戏流畅的帧率。

在本章中，我们介绍了如何使用顶点着色器来实现水体的波动、流动和涟漪效果，并介绍了一些性能优化的方法。这些技术可以帮助我们实现逼真的水体效果，并保持游戏的良好性能表现。

# 5. 水的交互效果

在游戏开发中，水体交互效果是非常重要的，能够增加游戏的真实感和互动性。本节将介绍如何为水体添加交互效果，包括物体进入水体的交互效果、物体在水中的浮沉以及创建水面的碰撞效果。

### 5.1 添加物体进入水体的交互效果

首先，我们需要为水体添加物体进入时的交互效果，这可以通过调整水下折射效果来模拟物体进入水中后的视觉变化。我们可以在水着色器中使用Unity内置的 `UnityCG.cginc` 文件中提供的函数来实现这一效果。

// 在水着色器中使用Unity内置函数实现物体进入水体的折射效果
inline float4 Refract(float3 incomingVec, float3 normalVec, float eta) {
    float NDotI = dot(normalVec, -incomingVec);
    float k = 1.0 - eta * eta * (1.0 - NDotI * NDotI);
    if (k < 0.0) {
        return 0.0;
    } else {
        return eta * incomingVec + (eta * NDotI - sqrt(k)) * normalVec;
    }
}

通过调整折射的比例和方式，可以模拟物体在水中发生的视角变化，为游戏增加更真实的交互效果。

### 5.2 实现物体在水中的浮沉

物体在水中的浮沉效果是另一个重要的交互效果。我们可以通过检测物体与水体表面的交互来实现这一效果。当物体与水体接触时，会根据物体密度、水的浮力等因素来决定物体在水中的浮沉状态。

// 通过检测物体与水体表面的交互，实现物体在水中的浮沉状态
void OnTriggerEnter(Collider other) {
    if (other.tag == "WaterSurface") {
        // 根据物体密度、水的浮力等因素来决定物体在水中的浮沉状态
        if (density > waterDensity) {
            // 物体下沉
            Sink();
        } else {
            // 物体浮起
            Float();
        }
    }
}

### 5.3 创建水面的碰撞效果

最后，我们可以为水体创建碰撞效果，使其能够与游戏中的其他物体交互。这样可以实现物体与水体表面的交互效果，并增加游戏的真实感。

// 为水体创建碰撞效果，使其能够与游戏中的其他物体交互
void OnCollisionEnter(Collision collision) {
    if (collision.gameObject.tag == "Player") {
        // 触发玩家角色与水体的碰撞效果
        PlayWaterCollisionEffect();
    }
}

通过以上操作，我们可以为水体添加丰富的交互效果，增强游戏的真实感和互动性。

以上是第五章节的内容，你是否满意呢？

# 6. 水特效与进阶调整

实现水体效果的基本功能后，我们可以进一步添加一些特效和进行进阶调整来提升水体的逼真度和观赏性。在这一章节中，我们将讨论如何添加雾效与光照效果，调整水体的扩散效果，以及优化与改进水着色器的性能。

#### 6.1 添加雾效与光照效果

# 在水着色器中添加雾效与光照效果的代码示例
Shader "Custom/WaterShader"
{
    Properties
    {
        // 属性声明
        _Color ("Water Color", Color) = (1,1,1,1)
        _FogDensity ("Fog Density", Range(0.0, 1.0)) = 0.03
        _Shininess ("Shininess", Range(0.01, 1.0)) = 0.7
        _SpecularColor ("Specular Color", Color) = (0.5, 0.5, 0.5, 1)
    }
    SubShader
    {
        // 子着色器内容
        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        CGPROGRAM
        // 包含UnityCG.cginc文件
        #include "UnityCG.cginc"

        // 定义顶点着色器
        #pragma vertex vert
        // 定义片元着色器
        #pragma fragment frag

        // 定义属性变量
        uniform float4 _Color;
        uniform float _FogDensity;
        uniform float _Shininess;
        uniform float4 _SpecularColor;

        // 顶点着色器函数
        float4 vert(float4 vertex : POSITION) : SV_POSITION
        {
            // 顶点着色器代码
        }

        // 片元着色器函数
        float4 frag() : SV_Target
        {
            // 添加雾效与光照效果的代码
            // ...
        }

        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

#### 6.2 调整水体的扩散效果

# 在水着色器中调整水体的扩散效果的代码示例
Shader "Custom/WaterShader"
{
    Properties
    {
        // 属性声明
        // ...
        _DistortionForce ("Distortion Force", Range(0.0, 1.0)) = 0.3
        _DistortionSpeed ("Distortion Speed", Range(0.1, 2.0)) = 0.5
    }
    SubShader
    {
        // 子着色器内容
        // ...

        CGPROGRAM
        // 包含UnityCG.cginc文件
        #include "UnityCG.cginc"

        // 定义顶点着色器
        // ...

        // 定义片元着色器
        // ...

        // 定义属性变量
        uniform float _DistortionForce;
        uniform float _DistortionSpeed;

        // 片元着色器函数
        float4 frag() : SV_Target
        {
            // 调整水体的扩散效果的代码
            // ...
        }

        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

#### 6.3 优化与改进水着色器的性能

在实现水体效果的过程中，性能优化是非常重要的一环。我们可以通过以下方法来优化与改进水着色器的性能：

- **减少不必要的计算**：检查水着色器中是否存在冗余的计算步骤，尽量减少不必要的复杂计算，从而提升渲染性能。
- **降低纹理分辨率**：适当降低水体纹理贴图的分辨率，可以减少显存占用并提升渲染效率。
- **使用GPU Instancing**：对于大量相似的水体对象，可以使用GPU Instancing 技术来批量渲染，减少Draw Call，提升性能。

通过以上优化与改进，可以使水着色器在保持视觉效果的情况下更加高效地运行。

在本章中，我们讨论了如何添加雾效与光照效果，调整水体的扩散效果，以及优化与改进水着色器的性能。这些进阶调整可以使水体效果更加真实与优美，同时保持良好的性能表现。