ShaderOne的体积雾

ShaderOne 是Unity商店的一个shader资源，作者期望把所有的渲染特性集合到一个shader上去，所以起个名字叫 ShaderOne。

本人其实比较反对这种 All In One 的shader，因为变种实在太多，优化起来比较蛋疼，不过作为一个学习资料还是挺好的。

今天我们来看一下他的 体积雾 的实现，先上截图：

核心代码

说到体积雾，大家的第一个印象就是费。

没错了，指望 ShaderOne 的 体积雾 能在手机上跑得飞起是有点强人所难的，因为计算涉及到 射线步进 和 3d纹理采样。

不过如果射线数设置的不那么高，高端手机还是可以一战的，文章的最后会给出一个测试。

在介绍 体积雾 之前，我们先看一下 ShaderOne 提供的全部雾效类型，应用雾效的入口代码如下：

inline void FogApply ( inout SOLightingData i_sold, in v2f i )
{#ifdef SO_GD_BASE_PASS#ifdef SO_GD_FOG_SOLIDFogApplySolid ( i_sold, i );#endif#ifdef SO_GD_FOG_VOLUMETRICFogApplyVolumetric ( i_sold, i );#endif#ifdef SO_GD_FOG_VOLUMETRIC_3DFogApplyVolumetric3D ( i_sold, i );#endif#endif
}

可以看到 ShaderOne 提供了3种雾：

FogApplySolid：线性雾
FogApplyVolumetric：线性雾 + 指数高度雾
FogApplyVolumetric3D：线性雾 + 3d指数高度雾

FogApplySolid

FogApplySolid 就是最简单的 线性雾，提供的参数就三个：颜色、开始距离、结束距离。

代码简单到不想废话：

inline void FogApplySolid ( inout SOLightingData i_sold, in v2f i )
{
#ifdef SO_GD_BASE_PASS
#ifdef SO_SF_FOG_ON
#ifdef SO_GD_FOG_SOLIDhalf    dist            = distance ( _WorldSpaceCameraPos.xyz , i.positionWorld );half    distFade        = 1.0 - clamp ( ( _FogEndDistance - dist ) / _FogSolidDistance, 0.0, 1.0 );i_sold.finalRGBA.rgb    = lerp ( i_sold.finalRGBA.rgb, _FogColorFade, distFade );
#endif
#endif
#endif
}

FogApplyVolumetric

FogApplyVolumetric 是 指数高度雾 再混合之前的 线性雾。

这里除了之前的线性雾参数之外，又加了高度雾参数。可以看到雾有高低和远近的过渡，并且有2种雾色。

关于指数高度雾，这里的计算公式如下：

fogAmount = 1.0 - exp ( -dist * ( fogHeightIntensity * _FogDensity ) );

这里的公式和Unity的 Exponential 雾类似，只是多了一个 fogHeightIntensity 这个高度因子。

fogHeightIntensity 的计算公式类似线性雾，不过是算的是高度：

fogHeightIntensity = ( 1.0 - min ( ( length (  i.positionWorld.y - _FogHeight ) / _FogHeightSize ), 1.0 ) );

最后雾效和场景颜色的混合计算，是先算指数高度雾，后算线性雾，代码如下：

i_sold.finalRGBA.rgb = lerp ( i_sold.finalRGBA.rgb, fogColor, fogAmount );
i_sold.finalRGBA.rgb = lerp ( i_sold.finalRGBA.rgb, _FogColorFade, distFade );

代码还是比较清楚的，市面上大部分手游的雾效和这个类似，只是计算公式可能有一点差别。

FogApplyVolumetric3D

最后来看一下 FogApplyVolumetric3D，也就是 体积雾。

FogApplyVolumetric3D 和 FogApplyVolumetric 的设置差不多，多了一些体积雾相关的参数，还有一个全局的射线数量需要设置：

两者的计算流程也非常相似，指数雾部分的公式如下：

fogAmount = 1.0 - exp ( -dist * fogAmount );

不过这里 fogAmount 的计算和 FogApplyVolumetric 相比就比较复杂了：为了平滑的勾勒出体积，这里需要依靠 射线步进，主要代码如下：

fogAmount       = 0;for ( int i = 0; i < SO_GD_FOG_RAYCOUNT; i++ )
{rayPos      += viewDir * stepSize;fogValue    = tex3D ( _FogTexture3D, ( rayPos * _FogScale ) + fogUVOffset ).a;#ifdef SO_GD_FOG_ROUGHNESS_ONfogYLength = length ( rayPos.y - ( _FogHeight + ( ( fogValue - 0.5 ) * _FogVerticalRoughness ) ) );#elsefogYLength  = length ( rayPos.y - _FogHeight );#endifheightIntensity  = 1.0 - min ( ( fogYLength / _FogHeightSize ), 1.0 );fogAmount   += fogValue * heightIntensity;
}fogAmount = ( fogAmount / SO_GD_FOG_RAYCOUNT ) * _FogDensity;

上述代码的大致计算流程如下：

从摄像机向场景发射 SO_GD_FOG_RAYCOUNT 条射线，这里的 SO_GD_FOG_RAYCOUNT 即前面的全局射线数，这个值越高效果越好，当然也越费。
每一条射线从摄像机点沿着 viewDir 方向逐步向前探测 stepSize 段距离，并且从一个预定的3d纹理 _FogTexture3D 去采样雾的密度。
最后把这么多根射线的采样结果加权平均，得出 fogAmount。

关于_FogTexture3D

可以看到，雾的体积由 _FogTexture3D 这张3d纹理决定。

_FogTexture3D 是一个3维的噪声图，如果我们想要自己调整噪音参数，可以借由作者提供的一个工具：Fog Texture Designer。

这个工具依赖另一个Unity的插件：FastNoise，具体细节可以参考插件源码，这个不是本文的重点。

关于stepSize的计算

前文提到 射线步进 的步长是 stepSize，stepSize 的计算方式如下：

dist            = length ( _WorldSpaceCameraPos.xyz - i.positionWorld ) - _FogOffset;
distFade        = 1.0 - clamp ( ( _FogEndDistance - dist ) / _FogSolidDistance, 0.0, 1.0 );
stepSize        = dist / (float)SO_GD_FOG_RAYCOUNT;

这里比较简单，把dist按照射线数等分即可。

关于SO_GD_FOG_RAYCOUNT

SO_GD_FOG_RAYCOUNT 控制射线的数量，这个参数对体积雾的质量影响较大，下图是只发3条射线的计算结果：

可以看到之前的平滑过渡出现了断裂。

关于Fog Roughness

Fog Roughness 通过给高度增加扰动来增加雾的高低起伏，计算代码如下：

#ifdef SO_GD_FOG_ROUGHNESS_ONfogYLength = length ( rayPos.y - ( _FogHeight + ( ( fogValue - 0.5 ) * _FogVerticalRoughness ) ) );
#elsefogYLength = length ( rayPos.y - _FogHeight );
#endifheightIntensity  = 1.0 - min ( ( fogYLength / _FogHeightSize ), 1.0 );

下图是 Fog Roughness 设置为0和设置为16的效果对比：

移动设备的帧率

体积雾就介绍到这里了。

最后，看看哥的 小米MIX2 是否可以一战。

24条射线，Roughness不开很高的情况下，稳稳60帧，效果也能接受，如下图：

个人主页

本文的个人主页链接：https://baddogzz.github.io/2020/01/06/Volumetric-Fog/

好了，拜拜。