Unity中URP下的菲涅尔效果实现（URP下的法线和视线向量怎么获取）

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前言

我们在这篇文章中，了解一下URP中Shader怎么实现菲涅尔效果，同时学习一下URP下怎么获取法线 和 视线向量。

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一、实现思路

Lambert光照模型公式：

Diffuse = Ambient + Kd * LightColor * max(0,dot(N,L))

• 实现灯光照射中间亮 周围暗的效果，核心是dot(N,L)
  

• Unity中Shader的Lambert光照的实现

• 光照效果下， 视线单位向量 点积 法线单位向量的效果是 中间亮周围暗。我们需要的效果刚好相反，用 1 减去该结果即可得到菲尼尔效果。

• 所以，我们主要要获取 N 和 L

我们在之前的文章中，实现过一次菲涅尔效果（模型中间暗周围亮的效果）

• Unity中Shader的XRay透视效果

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二、实现原理

为什么 NdotL 可以得到中间亮，周围亮的的效果

我们可以由下图直观的感受到 N 与 L夹角越小，点积越接近（白色）1。越趋近90°，点积越接近0（黑色）

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三、实现URP下的菲涅尔效果

我们这里用一个 BRP 下的Shader来修改为 URP 下的该效果

1、我们新建一个Shader，修改为最简

Shader "MyShader/URP/P3_2_4"
{
    Properties
    {
        
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "UnityCG.cginc"

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

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };
            
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                return 1;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

• 在SubShader的Tags中，告诉引擎这是URP下的Shader

“RenderPipeline” = “UniversalPipeline”

• 替换代码块申明

CGPROGRAM -> HLSLPROGRAM
ENDCG -> ENDHLSL

• 替换我们的引入库为HLSL常用的几个

#include “Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Color.hlsl”
#include “Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl”
#include “Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl”
#include “Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/UnityInstancing.hlsl”

2、获取世界空间下的顶点法线 N

• 在应用程序传入顶点着色器的 Attributes(appdata)结构体 加入本地法线

struct Attributes
{
	float3 vertexOS : POSITION;
	float3 normalOS : NORMAL;
};

• 在顶点着色器传入片元着色器的 Varyings(v2f)结构体 加入世界法线

struct Varyings
{
	float4 vertexCS : SV_POSITION;
	float3 normalWS : TEXCOORD0;
};

• 在顶点着色器进行法线坐标转化

o.normalWS = TransformObjectToWorld(v.normalOS);

3、获取顶点指向摄像机的视线单位向量 L

要获取该向量，需要知道 摄像机的世界空间坐标 和 我们顶点的世界空间坐标

1. 摄像机的世界空间坐标

_WorldSpaceCameraPos

2. 顶点世界空间下的坐标

• 在顶点着色器传入片元着色器的 Varyings(v2f)结构体 加入世界顶点坐标

float3 vertexWS : TEXCOORD1;

• 在顶点着色器进行顶点坐标的空间转化

o.vertexWS = TransformObjectToWorld(v.vertexOS);

• 我们在片元着色器输出看看效果
  

3. 用世界空间下的 摄像机坐标 减去 模型顶点坐标 得到 L

half3 L = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.vertexWS);

4、在片元着色器中，计算得到 NdotL 值

half NdotL = dot(N,L);

• 我们输出看看效果
  

5、用1 - NdotL 值得到菲尼尔效果

需要调节效果强弱的话，我们使用pow函数即可

return 1 - NdotL;

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四、测试代码

//URP下的菲涅尔效果
Shader "MyShader/URP/P3_2_4"
{
    Properties
    {
        
    }
    SubShader
    {
        Tags
        {
            //告诉引擎，该Shader只用于 URP 渲染管线
            "RenderPipeline"="UniversalPipeline"
            //渲染类型
            "RenderType"="Opaque"
            //渲染队列
            "Queue"="Geometry"
        }
        
        Pass
        {
            Cull Back Blend One Zero ZTest LEqual ZWrite On
            
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma target 2.0
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Color.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

            struct Attributes
            {
                float3 vertexOS : POSITION;
                float3 normalOS : NORMAL;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 vertexCS : SV_POSITION;
                float3 normalWS : TEXCOORD0;
                float3 vertexWS : TEXCOORD1;
            };
            
            Varyings vert (Attributes v)
            {
                Varyings o;
                o.vertexWS = TransformObjectToWorld(v.vertexOS);
                o.vertexCS = TransformWorldToHClip(o.vertexWS);
                o.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(v.normalOS);
                
                return o;
            }

            half4 frag (Varyings i) : SV_Target
            {
                //菲涅尔效果 1 - dot(N,L)
                half3 N = i.normalWS;
                half3 L = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.vertexWS);
                half NdotL = dot(N,L);
                return 1 - NdotL;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}