基础渲染系列（十四）——雾

本文重点：

给物体应用雾基于距离和深度的基础雾创建图像效果（Image Effect）支持延迟雾

这是渲染教程系列的第14篇文章。上一章我们介绍了延迟着色，这次我们把雾效果添加到场景中。

本教程使用Unity5.5.0f3。

（随着距离增加，物体逐渐消退）

1 前向雾

到目前为止，我们一直将光线视为通过真空传播。当场景设置在宇宙中时，这可能是准确的，否则，光就必须穿过大气层或液体。这时，光线不仅会撞击固体表面，而且会在空间中的任何地方被吸收，散射和反射。

准确绘制大气干扰需要昂贵的体积算法，而这通常是我们无法承受的。取而代之的是，用几个恒定的雾参数来进行近似。之所以称为雾，是因为该效果通常用于有雾的气氛。清晰的气氛所引起的视觉失真通常非常小，以至于在较短距离内可以忽略不计。

1.1 标准雾

Unity的“Lighting”窗口包含具有场景雾设置的部分。默认情况下是禁用的。激活后，你将获得默认的灰色雾。但是，这仅适用于使用正向渲染路径渲染的对象。当延迟模式处于活动状态时，雾的状态在下面的白字部分有说明。

（开启默认雾）

稍后我们将处理延迟模式。现在，我们先集中讨论前向雾。为此，我们需要使用前向渲染模式。你可以更改全局渲染模式，或强制主相机使用所需的渲染模式。将相机的Rendering Path 设置为“Forward”。现在先暂时禁用HDR渲染。

（前向摄像机）

创建一个小的测试场景，例如在平面或立方体上的几个球体。使用Unity的默认白色材质。

（不明显的雾）

将环境照明设置为默认强度1时，你会看到一些非常明亮的对象，并且根本没有很明显的雾。

1.2 线性雾

为了使雾更加明显，请将其颜色设置为纯黑色。它将代表一种吸收光而没有太多散射的气氛，例如浓浓的黑烟。

将Fog Mode设置为Linear。这样的效果并不真实，但易于配置。你可以设置雾影响开始的距离和完全变为雾的距离。他们之间会线性增加。这是以视距进行测量的。在雾开始之前，能见度是正常的。超过该距离，雾将逐渐遮挡物体。最终，除了雾的颜色，什么都看不到。

（线性雾）

线性雾化因子通过函数

进行计算，其中c 是雾化坐标，S和E 分别是起点和终点。然后将此因子钳制在0–1范围内，并用于在雾和对象的阴影颜色之间进行插值。

为什么雾不影响天空盒？

雾效果可调整正向渲染对象的片段颜色。因此，它仅影响这些对象，而不影响天空盒。

1.3 指数雾

Unity支持的第二种雾模式是指数模式，这是雾的更逼真的近似。它使用函数

，其中d是雾的密度因子。与线性版本不同，该方程永远不会达到零。将强度提高到0.1，使雾气看起来更靠近相机。

（指数雾）

1.4 指数平方雾

最后一种模式是指数平方雾。它就像指数雾一样工作，但是使用函数

，在近距离范围内雾量较小，但增加较快。

（指数平方雾）

1.5 增加雾

现在我们知道了雾的表现了，那我们将对它的支持添加到自己的正向着色器中。为了让效果更容易比对，将一半的对象设置为使用我们的材质，而其余的则继续使用默认材质。

（左边是我们的材质，右边是标准材质）

雾模式由着色器关键字控制，因此我们必须添加多编译指令以支持它们。可以为此使用一个预定义的multi_compile_fog指令。这将为FOG_LINEAR，FOG_EXP和FOG_EXP2关键字带来额外的着色器变体。仅将此指令添加到两个前向pass中。

接下来，向“My Lighting”添加一个函数以将雾应用于片段颜色。它以当前颜色和插值器为参数，并应在应用雾的情况下返回最终颜色。

雾效果基于视距，该视距等于摄影机位置和片段的世界位置之间的矢量长度。我们可以访问两个位置，因此可以计算该距离。

然后，将其用作雾密度函数的雾坐标，该雾密度函数由UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW宏计算得出。这个宏创建unityFogFactor变量，可以使用它在雾色和片段颜色之间进行插值。雾的颜色存储在unity_FogColor中，该颜色在ShaderVariables中定义。

UNITY_CALC_FOG_FACTOR_RAW如何工作？

宏在UnityCG中定义。定义哪个fog关键字确定要计算的内容。

还有一个UNITY_CALC_FOG_FACTOR宏，它使用此宏。它假定雾坐标是需要转换的特定类型，因此我们直接使用原始版本。

unity_FogParams变量在UnityShaderVariables中定义，并包含一些有用的预先计算的值。

由于雾度因子最终可能超出0–1范围，因此我们必须在插值之前对其进行钳位。

另外，由于雾不影响alpha分量，因此我们可以将其排除在插值之外。

现在，我们可以将雾应用于MyFragmentProgram中的最终的forward-pass颜色。

（线性雾但是有区别）

我们自己的着色器现在包含雾了。但是，它与标准着色器计算的雾度不完全匹配。为了使差异更加清楚，请使用具有相同或几乎相同值的起点和终点的线性雾。它会导致突然从无雾过渡到全雾。

（曲线与直线过渡）

1.6 基于深度的雾

我们和标准着色器之间的差异是由于我们计算雾化坐标的方式所致。尽管使用世界空间视距是有意义的，但标准着色器使用了不同的度量标准。具体来说，它使用剪辑空间深度值。结果，视角不会影响雾坐标。同样，在某些情况下，距离会受到相机的接近剪辑平面距离的影响，这会将雾稍微推开。

（平面深度与距离）

使用深度而不是距离的优点是你不必计算平方根，因此速度更快。同样，虽然不太现实，但在某些情况下（例如，横向滚动游戏）可能需要基于深度的雾。不利之处在于，由于忽略了视角，因此相机的方向会影响雾。随着旋转，雾密度发生变化，而从逻辑上讲它不应发生改变。

（旋转会改变深度）

让我们向着色器添加对基于深度的雾的支持，以匹配Unity的方法。这需要对我们的代码进行一些更改。现在，我们必须将剪辑空间深度值传递给片段程序。因此，当其中一种雾化模式处于活动状态时，请定义FOG_DEPTH关键字。

我们必须包括一个用于深度值的插值器。但是，除了为其提供单独的插值器外，我们还可以将其作为第四部分搭载在世界坐标上。

为确保我们的代码正确无误，请将i.worldPos的所有用法替换为i.worldPos.xyz。之后，在需要时将片段空间深度值分配给片段程序中的i.worldPos.w。它只是同质剪辑空间位置的Z坐标，因此在将其转换为0–1范围内的值之前。

在ApplyFog中，使用插值深度值覆盖计算的视图距离。保留旧的计算，因为稍后我们将继续使用它。

（基于剪辑空间深度的雾）

现在，你很可能会获得与标准着色器相同的结果。但是，在某些情况下，剪辑空间的配置不同，从而产生了不正确的雾。为了弥补这一点，请使用UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE宏转换深度值。

UNITY_Z_0_FAR_FROM_CLIPSPACE是做什么的？

最重要的是，它补偿了可能反转的剪辑空间Z尺寸。

请注意，宏代码提到OpenGL也需要转换，但我觉得这样做不值得。

UNITY_CALC_FOG_FACTOR宏仅将上述内容提供给其原始等效内容。

1.7 深度还是距离

那么，我们应该对雾使用哪个度量呢？剪辑空间深度还是世界空间距离？那就都支持吧！但是，让它成为着色器功能并不划算。我们将使其成为着色器配置选项，例如BINORMAL_PER_FRAGMENT。假设基于深度的雾是默认设置，你可以通过在着色器顶部附近的CGINCLUDE部分中定义FOG_DISTANCE切换到基于距离的雾。

如果已经定义了FOG_DISTANCE，那么在My Lighting中要切换到基于距离的雾，要做的就是摆脱FOG_DEPTH定义。

1.8 禁止雾

当然，我们并不总是要使用雾。因此，仅在雾代码真正打开时才包括它。

1.9 多灯光

我们的雾在单个灯光下可以正常工作，但是当场景中有多个灯光时，它的表现如何？当我们使用黑雾时，它看起来不错，但也可以尝试使用其他颜色。

（灰色雾在1个和2个方向光下的表现）

结果太亮了。发生这种情况是因为我们为每个灯光都添加了一次雾色。当雾色为黑色时，这不是问题。因此解决方案是在附加通道中始终使用黑色。这样，雾就使附加光的作用减弱，而又不会使雾本身变亮。

（两个灯光下正确的灰色雾）

2 延迟雾

现在，我们在正向渲染路径上使用了雾，让我们切换到延迟路径。复制前向模式相机。将重复副本更改为延迟相机，然后禁用前向相机。这样，你可以通过更改启用的相机来快速在渲染模式之间切换。

你会注意到，使用延迟渲染路径时根本没有雾。这是因为在计算完所有光照之后必须应用雾。因此，我们无法在着色器的deferred pass中添加雾。

要比较同一图像中的延迟渲染和正向渲染，可以强制某些对象以正向模式渲染。例如，通过使用透明材质，同时使其完全不透明。

（不透明和透明材质）

当然，使用透明材质的物体会受到雾的影响。

为什么少了两个球？

右侧的对象使用透明的材质，即使它们是完全不透明的。结果，Unity在渲染它们时从后到前排序。最远的两个球体最终在它们下面的立方体之前渲染。由于透明对象不写入深度缓冲区，因此在这些球体前面绘制了立方体。

2.1 图像效果（影像效果）

要将雾添加到延迟渲染中，我们必须等到所有灯光都渲染完毕后，再进行一次pass以将雾因素叠加。由于雾应用于整个场景，所以，可以像渲染定向光一样。

添加此类pass的一种简单方法是将自定义组件添加到相机。因此，创建一个DeferredFogEffect类从MonoBehaviour继承。因为在编辑模式下能够看到雾非常有用，所以请为其指定ExecuteInEditMode属性。将此组件添加到我们的延迟相机中。最终会让雾效果出现在游戏视图中。

（使用雾效果的延迟摄像机）

要向渲染过程添加其他full-screen pass，请为我们的组件提供一个OnRenderImage方法。Unity将检查相机是否具有使用此方法的组件，并在渲染场景后调用它们。这让你可以更改效果或将效果应用于渲染的图像。如果有多个这样的组件，则会按照它们连接到相机的顺序来调用它们。

OnRenderImage方法具有两个RenderTexture参数。第一个是源纹理，它包含了到目前为止的场景最终颜色。第二个参数是我们必须渲染到的目标纹理。它可能为null，这意味着它将直接进入帧缓冲区。

添加此方法后，游戏视图将无法渲染。我们必须确保要绘制一些东西。为此，请使用两个纹理作为参数调用Graphics.Blit方法。该方法将绘制一个带有着色器的全屏四边形，该着色器仅读取源纹理并输出未经修改的采样颜色。

场景再次像往常一样被渲染。但是，如果你检查帧调试器，则会看到为我们的图像效果添加了一个pass。

（绘制 image effect）

2.2 雾着色器

简单地复制图像数据是没有用的。我们必须创建一个新的自定义着色器，以将雾化效果应用于图像。从一个简单的着色器开始。因为我们只绘制一个应该覆盖所有内容的全屏四边形，所以应该忽略剔除和深度缓冲区，也不应该写入深度缓冲区。

我们的效果组件需要此着色器，因此为其添加一个公共字段，然后为其分配新的着色器。

（使用雾着色器）

我们还需要使用着色器进行渲染的材质。但仅在激活时才需要它，因此不需要资产。使用非序列化字段来保存对其的引用。

在OnRenderImage中，我们现在开始检查是否有材质实例。如果没有，请创建一个，并使用雾着色器。然后调用此材质的Graphics.Blit。

这会产生纯白色图像。必须创建自己的着色器通道以渲染有用的东西。从简单的顶点和片段程序开始，这些程序使用顶点位置和全屏四边形的UV数据从源纹理复制RGB颜色。另外，让我们包括雾模式的多重编译指令。

2.3 基于深度的雾

因为我们使用的是延迟渲染，所以我们知道有可用的深度缓冲区。毕竟，light pass需要它来工作。我们可以从中读取信息，这意味着我们可以使用它来计算基于深度的雾。

Unity通过_CameraDepthTexture变量使深度缓冲区可用，因此将其添加到我们的着色器中。

尽管确切的语法取决于目标平台，但我们可以对此纹理进行采样。HLSLSupport中定义的SAMPLE_DEPTH_TEXTURE宏为我们解决了这一问题。

这提供了来自深度缓冲区的原始数据，因此在从齐次坐标转换为0-1范围内的剪辑空间值之后。我们必须转换此值，使其成为世界空间中的线性深度值。首先，我们可以使用UnityCG中定义的Linear01Depth函数将其转换为线性范围。

Linear01Depth是什么样的？

它使用两个方便的预定义值执行简单的转换。

缓冲区参数在UnityShaderVariables中定义。

接下来，我们必须按远裁剪平面的距离缩放此值，以获得实际的基于深度的视图距离。剪辑空间设置可通过float4 _ProjectionParams变量获得，该变量在UnityShaderVariables中定义。它的Z分量包含远端平面的距离。

一旦我们有了距离，就可以计算雾化因子并进行插值。

（错误的雾）

2.4 修复雾

不幸的是，我们的迷雾还是不正确。最明显的错误是我们在透明几何图形的顶部绘制了雾。为防止这种情况发生，我们必须在绘制透明对象之前应用雾化效果。可以将ImageEffectOpaque属性附加到我们的方法中，以指示Unity这样做。

（吴在不透明之后，透明之前）

另一个问题是雾色显然是错误的。当不使用HDR相机时，会发生这种情况，因为相机会弄乱颜色。这很简单，可以在我们的延迟摄像机上启用HDR。

（使用HDR相机）

最后，由于我们没有考虑近平面，因此可能再次在深度上有所不同。

（不同深度）

可以通过从视图距离中减去近平面距离来对此进行稍微补偿。它存储在_ProjectionParams的Y组件中。不幸的是，由于我们转换深度值的顺序，它不会完全匹配。但Unity的雾效果也会使用它来调整雾，所以我们也这样做。

（部分补偿深度）

2.5 基于距离的雾

延迟光的着色器从深度缓冲区重建世界空间位置，以便计算光照。我们也可以这样做。

透视相机的剪辑空间定义了一个梯形空间区域。如果我们忽略了近平面，那么将得到一个金字塔，其顶部位于相机的世界位置。它的高度等于相机的远平面距离。线性化的深度在其顶端为0，在其底端为1。

（金字塔的侧视角）

对于图像的每个像素，我们可以从顶部到金字塔底部的某个点发出光线。如果没有任何障碍物，则光线到达底部，即远平面。否则，它将击中渲染的任何对象。

（每个像素一条射线）

如果碰到某物，则相应像素的深度值小于1。例如，如果碰到一半，则该深度值将为1/2。这意味着，射线的Z坐标是未被遮挡时的尺寸的一半。由于射线的方向仍然相同，这意味着X和Y坐标也减半。通常，我们可以从一直延伸到远平面的光线开始，然后按深度值进行缩放来找到实际光线。

（射线缩放）

一旦有了该光线，就可以将其添加到摄影机的位置以找到渲染表面的世界空间位置。但是，由于我们只对距离感兴趣，所以我们真正需要的只是该射线的长度。

为了使它有效，必须知道每个像素从相机到平面的光线。实际上，我们只需要四束光线，金字塔的每个角一个。插值为我们提供介于两者之间所有像素的光线。

2.6 计算光线

可以根据相机的远平面及其视场来构造光线。相机的方向和位置与距离无关紧要，因此我们可以忽略其变换。Camera.CalculateFrustumCorners方法可以为我们做到这些。它有四个参数。第一个是要使用的矩形区域，在我们的例子中是整个图像。第二个是投射光线的距离，必须与远平面相匹配。第三个参数涉及立体渲染。我们将只使用当前活动的眼睛。最终，该方法需要3D向量数组来存储射线。因此，我们必须缓存对摄像机的引用和向量数组。