ShadowGun 的学习笔记 - GodRays

首先先贴一些参考文章，感谢这些人的分享精神。

官方：http://blogs.unity3d.com/2012/03/23/shadowgun-optimizing-for-mobile-sample-level/

一些分享：
http://ravenw.com/blog/2012/03/30/shadowgun-shared-level-shaders-and-skills/

http://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/42061701

---

ShadowGun 的官方 demo 里确实有很多不错的实现思路，极其的适合移动平台来使用，真的是能省就省。效果不用真实，只要能骗过玩家的眼睛就行！

顺便再赞一下人家老外的分享精神，知识要分享，交流，才能够进步！

---

这里先不讨论真正的 god rays 要怎么弄，因为 ShadowGun 中的例子都是为了移动端所设计的，讲究的就是省！

要理解什么是 god rays ，看一张图你就懂了。（图形学这东西，有时候必须要看实际效果和例子的，不然很可能你都不知道它在说什么~）

如图：

图里的这个光，就是 god rays ，教堂里最常见，大家想体验的话可以去教堂看看~

首先我们先来看 god rays ，demo 里的文件是 MADFINGER-god-rays.shader

代码：

Shader "MADFINGER/Transparent/GodRays" {Properties {    _MainTex ("Base texture", 2D) = "white" {}    _FadeOutDistNear ("Near fadeout dist", float) = 10      _FadeOutDistFar ("Far fadeout dist", float) = 10000     _Multiplier("Multiplier", float) = 1    _ContractionAmount("Near contraction amount", float) = 5}SubShader {    Tags { "Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent" }    Blend One One//  Blend One OneMinusSrcColor    Cull Off Lighting Off ZWrite Off Fog { Color (0,0,0,0) }    LOD 100    CGINCLUDE       #include "UnityCG.cginc"    sampler2D _MainTex;    float _FadeOutDistNear;    float _FadeOutDistFar;    float _Multiplier;    float _ContractionAmount;    struct v2f {        float4  pos : SV_POSITION;        float2  uv      : TEXCOORD0;        fixed4  color   : TEXCOORD1;    };    float4 MyLerp(float4 from,float4 to,float t)    {        return from + t * (to - from);    }    v2f vert (appdata_full v)    {        v2f         o;        float3  viewPos = mul(UNITY_MATRIX_MV,v.vertex);        float       dist        = length(viewPos);        float       nfadeout    = saturate(dist / _FadeOutDistNear);        float       ffadeout    = 1 - saturate(max(dist - _FadeOutDistFar,0) * 0.2);        ffadeout *= ffadeout;        nfadeout *= nfadeout;        nfadeout *= nfadeout;        nfadeout *= ffadeout;        float4 vpos = v.vertex;        vpos.xyz -=   v.normal * saturate(1 - nfadeout) * v.color.a * _ContractionAmount;        o.uv        = v.texcoord.xy;        o.pos   = mul(UNITY_MATRIX_MVP, vpos);        o.color = nfadeout * v.color * _Multiplier;        return o;    }    ENDCG    Pass {        CGPROGRAM        #pragma vertex vert        #pragma fragment frag        #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest               fixed4 frag (v2f i) : COLOR        {                       return tex2D (_MainTex, i.uv.xy) * i.color;        }        ENDCG     }   }}

ShadowGun 的思路是把它处理成了一种雾效。

这里的雾效不是指那种真的全局环境都受影响的大雾，而是一种现象：在视角逐渐接近它的时候，视野逐渐清晰。例如对于体积光，从远处看它可能会感觉很亮，但越接近亮度越小，越能看清后面的物体。这种效果可以很好地让玩家感觉到深度的变化。

如果要使用这种 Shader，就需要在三维建模软件中处理用来显示效果的mesh。

①顶点的透明度用于决定顶点是否可以移动(透明度为0表示不可移动，1为可移动)
②顶点法线决定移动的方向

然后Shader通过计算与观察者的距离来控制雾面的淡入/淡出。
这种技术非常简单，而且可以用于光射线、光锥等各种透明效果。

在ShadowGun中，有三个shaders使用了这个技术：GodRays，Blinking GodRays和Blinking GodRays Billboarded。
其中GodRays用于模拟体积光。

这里我们也看到了，主要代码都在vert函数里了，所以它的思路主要就是通过对mesh顶点的移动，来模拟雾效。光说的话不是很深刻，这里我们来看几张图。

显示参数：

重点是Near fadeout dist和Far fadeout dist，就是它们决定了雾效的作用范围。

显示用的mesh：

最终产生的mesh：

通过这2张图，我们就看出来了，这里把体积光做成了一个现成的mesh片了。

---

雾效的表现，注意看有辅助线框的部分

远看：

近看：

看图比代码好理解吧~
当远处时，这个mesh片是完全伸展开的，当拉近时，一侧的mesh顶点会收缩起来

---

现在我们来看代码：

float3 viewPos = mul(UNITY_MATRIX_MV,v.vertex);float dist = length(viewPos);float nfadeout = saturate(dist / _FadeOutDistNear);float ffadeout = 1 - saturate(max(dist - _FadeOutDistFar,0) * 0.2); 

dist是顶点在View Space中的模，就是在View Space中距离原点的远近，也就是距离视角的远近。

nfadeout是一个范围在（0，1）之间的淡化系数，它用于模拟淡入或淡出效果。和它相关的有两个属性：_FadeOutDistNear和_FadeOutDistFar。玩家由无限远开始接近这个物体的过程中，一开始是远大于_FadeOutDistFar，那么是看不到这个体积光的；然后逐渐接近_FadeOutDistFar后，开始出现淡入效果；如果小于了_FadeOutDistNear，那么就会开始模拟淡出的效果。
可以看出，当dist大于_FadeOutDistNear时，总是返回1，从而不会产生任何影响；而一旦小于_FadeOutDistNear后，就会产生一个线性的衰减。

ffadeout的计算看起来复杂也难懂一点。我们希望ffadeout的结果是，在dist远大于_FadeOutDistFar时返回0；在dist逐渐接近_FadeOutDistFar时，逐渐从0增加到1；在dist小于_FadeOutDistFar时，返回1。从函数图像来看，其实就是个分段函数。上面的写法只是通过max和saturate函数来实现这种分段的目的，其中0.2是模拟了淡入的速率。下面就是这句计算表达式的函数图像：

对于一般的射灯模拟，_FadeOutDistNear的值都比较大。在计算完nfadeout和ffadeout后，并没有直接相乘，而是各自进行了指数操作。这里感觉是感性的计算，即希望淡入/淡出的速率更快或者更慢等。

下面是顶点位置的计算。与其相关的语句是：

float4 vpos = v.vertex;  vpos.xyz -=   v.normal * saturate(1 - nfadeout) * v.color.a * _ContractionAmount; 

这里的目的是为了在淡出时移开（也可以为收缩）顶点。当nfadeout值越接近0时，表明正在淡出，那么顶点就需要朝着其法线方向的反方向进行收缩。其中，顶点的透明通道决定了这个顶点是否可以移动（这是因为，体积光往往有一边是不可以移动的，想象一下从窗户投进来的光，起点用于在和窗户的衔接处是不会动的）。而_ContractionAmount表示收缩的程度。

---

这里用一张图来进一步说明它们之间的关系（我画的比较烂）：

图中当我们的眼睛改变与mesh之间的距离的时候，dist的大小就会不断变化。然后我们把nfadeout和ffadeout相乘

nfadeout *= ffadeout;

当dist的值在_FadeOutDistNear和_FadeOutDistFar之间时，nfadeout和ffadeout的值都=1，所以乘积会=1，mesh会保持它本来的尺寸。
当dist大于_FadeOutDistFar或小于_FadeOutDistNear时，nfadeout和ffadeout其中之一的值=1，另一个会<1，所以乘积会<1，我们可以根据这个值对mesh的顶点进行收缩，就产生了我们需要的雾效效果了。

---

以上就是 ShadowGun 中 GodRays 的实现思路，借鉴了不少别人的文章，大家就凑合看吧。