【Unity3D】反射和折射

1 前言

        立方体纹理（Cubemap）和天空盒子（Skybox）中介绍了生成立方体纹理和制作天空盒子的方法，本文将使用立方体纹理进行采样，实现反射、菲涅耳反射和折射效果。另外，本文还使用了 GrabPass 抓取屏幕图像，替代立方体纹理，作为折射的采样纹理。

        立方体纹理采样原理：从世界坐标系的坐标原点出发，发射一条射线，与边长为 1 的立方体相交（其中心在坐标原点，并且每个面与对应坐标轴垂直），交点位置的像素即为采样的像素。立方体纹理采样函数如下，cubemap 为立方体纹理，worldVec 为世界坐标系中采样方向向量，color 为采样的颜色。

// 立方体纹理采样
fixed4 color = texCUBE(cubemap, worldVec)

        本文完整资源见→Unity3D反射和折射。

2 反射

        对于模型上的任意一点，其反射颜色计算方法为：首先计算相机指向该点的向量，再根据该点的法线信息计算反射向量，接着使用反射向量在 cubemap 中进行纹理采样，最后使用采样后的颜色和漫反射颜色进行混合。

        Reflect.shader

Shader "MyShader/Reflection" { // 反射
	Properties {
		_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) // 物体颜色
		_ReflectColor("Reflection Color", Color) = (1, 1, 1, 1) // 反射光的颜色
		_ReflectAmount("Reflect Amount", Range(0, 1)) = 1 // 反射比例(用于漫反射和反射之间插值)
		_Cubemap("Reflection Cubemap", Cube) = "_Skybox" {} // 立方体纹理
	}

	SubShader{
		Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry"}

		Pass {
			Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Color; // 物体颜色
			fixed4 _ReflectColor; // 反射光的颜色
			fixed _ReflectAmount; // 反射比例(用于漫反射和反射之间插值)
			samplerCUBE _Cubemap; // 立方体纹理

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
				float3 normal : NORMAL; // 模型空间法相向量
			};

			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
				float3 worldPos : TEXCOORD0; // 世界空间顶点坐标
				fixed3 worldNormal : TEXCOORD1; // 顶点法线向量
				fixed3 worldViewDir : TEXCOORD2; // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 worldRefl : TEXCOORD3; // 反射向量
			};

			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 计算世界空间中顶点法线向量(已归一化)
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 计算世界空间中顶点坐标
				o.worldViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(o.worldPos); // 计算世界空间中观察向量(顶点指向相机)
				o.worldRefl = reflect(-o.worldViewDir, o.worldNormal); // 计算观察向量的反射向量
				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); // 法线向量
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 灯光向量(顶点指向光源)
				fixed3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir); // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; // 环境光颜色
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // 漫反射光颜色
				fixed3 reflection = texCUBE(_Cubemap, i.worldRefl).rgb * _ReflectColor.rgb; // 反射光颜色
				fixed3 color = ambient + lerp(diffuse, reflection, _ReflectAmount); // 漫反射光与反射光颜色进行插值
				return fixed4(color, 1.0);
			}

			ENDCG
		}
	}

	FallBack "Reflective/VertexLit"
}

         _ReflectAmount 值为 1 反射效果如下：

        _ReflectAmount 值由 0 至 1 渐变反射效果如下：

        说明：即使没有房间模型，中间的 5 个物体也会反射房间环境，这是因为它们使用的纹理源于 Cubemap 采样，而 Cubemap 一旦生成，就与环境无关。 

3 菲涅耳反射

        菲涅耳反射描述了一种光学现象，即当光线射到物体表面时，一部分发生反射，一部分进入物体内部，发生折射或散射。被反射的光和入射角度存在一定的比率关系（入射角越小，反射的光越少；入射角越大，反射的光越多；当入射角大到某个值时，会发生全反射，即没有折射现象），这个比值可以通过菲涅耳等式计算得到。当前应用比较广泛的菲涅耳近似等式主要有：Schlick 菲涅耳近似等式、Empricial 菲涅耳近似等式。

        1）Schlick 菲涅耳近似等式

         说明：F0 为反射系数，用于控制菲涅耳反射的强度，用户可以根据物体材质特性进行设定，v、n 分别为入射向量和法线向量。

        2）Empricial 菲涅耳近似等式

        说明：bias、scale、power 都是待定参数，用户可以根据物体材质特性进行设定，v、n 分别为入射向量和法线向量。

        FresnelReflect.shader

Shader "MyShader/FresnelReflect" { // 菲涅耳反射
	Properties {
		_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) // 物体颜色
		_FresnelScale("Fresnel Scale", Range(0, 1)) = 0.5 // 菲涅耳反射系数缩放值
		_Cubemap("Reflection Cubemap", Cube) = "_Skybox" {} // 立方体纹理
	}

	SubShader{
		Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry"}

		Pass {
			Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

			CGPROGRAM

			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Color; // 物体颜色
			fixed _FresnelScale; // 菲涅耳反射系数缩放值
			samplerCUBE _Cubemap; // 立方体纹理

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
				float3 normal : NORMAL; // 模型空间法相向量
			};

			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
				float3 worldPos : TEXCOORD0; // 世界空间顶点坐标
				fixed3 worldNormal : TEXCOORD1; // 顶点法线向量
				fixed3 worldViewDir : TEXCOORD2; // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 worldRefl : TEXCOORD3; // 反射向量
			};

			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 计算世界空间中顶点法线向量(已归一化)
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 计算世界空间中顶点坐标
				o.worldViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(o.worldPos); // 计算世界空间中观察向量(顶点指向相机)
				o.worldRefl = reflect(-o.worldViewDir, o.worldNormal); // 计算观察向量的反射向量
				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); // 法线向量
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 灯光向量(顶点指向光源)
				fixed3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir); // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; // 环境光颜色
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // 漫反射光颜色
				fixed3 reflection = texCUBE(_Cubemap, i.worldRefl).rgb; // 反射光颜色
				fixed fresnel = _FresnelScale + (1 - _FresnelScale) * pow(1 - dot(worldViewDir, worldNormal), 5); // 菲涅耳反射系数
				fixed3 color = ambient + lerp(diffuse, reflection, saturate(fresnel)); // 漫反射光与反射光颜色进行插值
				return fixed4(color, 1.0);
			}

			ENDCG
		}
	}

	FallBack "Reflective/VertexLit"
}

        菲涅耳反射效果如下： 

        说明：即使没有房间模型，中间的 5 个物体也会反射房间环境，这是因为它们使用的纹理源于 Cubemap 采样，而 Cubemap 一旦生成，就与环境无关。  

4 折射

        对于模型上的任意一点，其折射颜色计算方法为（仅考虑 1 次折射，现实世界会发生 2 次折射）：首先计算相机指向该点的向量，再根据该点的法线信息和折射率比值计算折射向量，接着使用折射向量在 cubemap 中进行纹理采样，最后使用采样后的颜色和漫反射颜色进行混合。 

        Refract.shader

Shader "MyShader/Refraction" { // 折射
	Properties {
		_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) // 物体颜色
		_RefractColor("Refraction Color", Color) = (1, 1, 1, 1) // 折射光的颜色
		_RefractAmount("Refraction Amount", Range(0, 1)) = 1 // 折射比例(用于漫反射和折射之间插值)
		_RefractRatio("Refraction Ratio", Range(0.1, 1)) = 0.5 // 折射比(入射介质折射率/折射介质折射率)
		_Cubemap("Refraction Cubemap", Cube) = "_Skybox" {} // 立方体纹理
	}

	SubShader{
		Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry"}

		Pass {
			Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

			CGPROGRAM

			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Color; // 物体颜色
			fixed4 _RefractColor; // 折射光的颜色
			float _RefractAmount; // 折射比例(用于漫反射和折射之间插值)
			fixed _RefractRatio; // 折射比(入射介质折射率/折射介质折射率)
			samplerCUBE _Cubemap; // 立方体纹理

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
				float3 normal : NORMAL; // 模型空间法相向量
			};

			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
				float3 worldPos : TEXCOORD0; // 世界空间顶点坐标
				fixed3 worldNormal : TEXCOORD1; // 顶点法线向量
				fixed3 worldViewDir : TEXCOORD2; // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 worldRefr : TEXCOORD3; // 折射向量
			};

			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 计算世界空间中顶点法线向量(已归一化)
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 计算世界空间中顶点坐标
				o.worldViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(o.worldPos); // 计算世界空间中观察向量(顶点指向相机)
				o.worldRefr = refract(-normalize(o.worldViewDir), o.worldNormal, _RefractRatio); // 计算观察向量的折射向量
				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); // 法线向量
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 灯光向量(顶点指向光源)
				fixed3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir); // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; // 环境光颜色
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // 漫反射光颜色
				fixed3 refraction = texCUBE(_Cubemap, i.worldRefr).rgb * _RefractColor.rgb; // 折射光颜色
				fixed3 color = ambient + lerp(diffuse, refraction, _RefractAmount); // 漫反射光与折射光颜色进行插值
				return fixed4(color, 1.0);
			}

			ENDCG
		}
	}

	FallBack "Reflective/VertexLit"
}

        _RefractAmount 值为 1 折射效果如下：

        _RefractAmount 值由 0 至 1 渐变折射效果如下：

        说明：现实世界中，光线从空气射入半透明物体，再射出到空气中，会发生 2 次折射，但是 Unity Shader 是逐像素渲染，每个像素都是独立渲染的（便于 GPU 并行计算，提高渲染效率），光线在物体出射点发生折射时，无法获取到入射点的位置及法线信息，因此无法模拟二次折射效果。

5 基于 GrabPass 的折射

        第 4 节中基于 Cubemap 采样实现折射特效，本节基于 GrabPass 屏幕采样实现折射特效。

        GrabPass 用于获取屏幕纹理，有以下两种形式：

// 1. 后续的Pass中通过_GrabTexture访问屏幕图像, 该方式较耗性能, Unity为每个使用了GrabPass的物体进行一次抓取屏幕图像操作
GrabPass {}
// 2. 后续的Pass中通过TextureName访问屏幕图像, 该方式性能较好, Unity只会在每一帧为第一个使用TextureName纹理的物体执行一次抓取屏幕图像操作, 这个纹理也可以在其他Pass中被访问
GrabPass { "TextureName" }

        GrabPass 通常用于渲染透明物体，尽管代码里并不包含混合指令，但我们仍需要把物体的渲染队列设置为透明队列（即 "Queue"="Transparent"）。这样才可以保证当渲染该物体时，所有不透明物体都已经被绘制在屏幕上，从而获取正确的屏幕图像。

        GrabRefract.shader

Shader "MyShader/GrabRefract" { // 基于GrabPass纹理采样的折射
	Properties {
		_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) // 物体颜色
		_RefractColor("Refraction Color", Color) = (1, 1, 1, 1) // 折射光的颜色
		_RefractAmount("Refraction Amount", Range(0, 1)) = 1 // 折射比例(用于漫反射和折射之间插值)
		_RefractRatio("Refraction Ratio", Range(0.1, 1)) = 0.5 // 折射比(入射介质折射率/折射介质折射率)
	}

	SubShader{
		// 渲染队列必须设置为 transparent, 确保所有不透明物体都在该对象之前已经渲染在屏幕上
		Tags { "Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Opaque" }
		// 抓取屏幕图像并存储在_RefractionTex中, 作为折射采样的纹理
		GrabPass { "_RefractionTex" }

		Pass {
			Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

			CGPROGRAM

			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Color; // 物体颜色
			fixed4 _RefractColor; // 折射光的颜色
			float _RefractAmount; // 折射比例(用于漫反射和折射之间插值)
			fixed _RefractRatio; // 折射比(入射介质折射率/折射介质折射率)
			sampler2D _RefractionTex; // GrabPass抓取的屏幕图像, 作为折射采样的纹理

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION; // 模型空间顶点坐标
				float3 normal : NORMAL; // 模型空间法相向量
			};

			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点坐标
				float4 scrPos : TEXCOORD0; // 屏幕空间顶点坐标(_RefractionTex采样的uv坐标)
				float3 worldPos : TEXCOORD1; // 世界空间顶点坐标
				fixed3 worldNormal : TEXCOORD2; // 顶点法线向量
				fixed3 worldViewDir : TEXCOORD3; // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 worldRefr : TEXCOORD4; // 折射向量
			};

			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
				o.scrPos = ComputeGrabScreenPos(o.pos); // 屏幕空间顶点坐标(_RefractionTex采样的uv坐标)
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 计算世界空间中顶点法线向量(已归一化)
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 计算世界空间中顶点坐标
				o.worldViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(o.worldPos); // 计算世界空间中观察向量(顶点指向相机)
				o.worldRefr = refract(-normalize(o.worldViewDir), o.worldNormal, _RefractRatio); // 计算观察向量的折射向量
				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); // 法线向量
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 灯光向量(顶点指向光源)
				fixed3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir); // 观察向量(顶点指向相机)
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; // 环境光颜色 
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // 漫反射光颜色
				float offset = 1 - dot(-worldViewDir, normalize(i.worldRefr)); // 折射偏移
				float2 cameraViewDir = normalize(mul(unity_MatrixV, float4(worldViewDir, 0)).xy); // 观察坐标系下观察向量坐标
				i.scrPos.xy = i.scrPos.xy + cameraViewDir * offset; // 顶点对应的偏移后的屏幕坐标(屏幕纹理采样坐标)
				fixed3 refraction = tex2D(_RefractionTex, i.scrPos.xy / i.scrPos.w).rgb; // 折射光颜色
				fixed3 color = ambient + lerp(diffuse, refraction, _RefractAmount); // 漫反射光与折射光颜色进行插值
				return fixed4(color, 1.0);
			}

			ENDCG
		}
	}

	FallBack "Reflective/VertexLit"
}

        _RefractAmount 值为 1 折射效果如下：

        _RefractAmount 值由 0 至 1 渐变折射效果如下：