创作类《塞尔达传说：旷野之息》风格的水着色器

《塞尔达传说：旷野之息》是任天堂游戏公司出版发行的开放世界动作冒险游戏。发售以来获得业界极高评价，2017年获金摇杆奖年度最佳游戏奖，TGA 2017年度最佳游戏。

来自德国柏林22岁的Florian Gelzenleuchter也是这款游戏的忠实粉丝，他正在独立制作一个项目《The Bells' Arietta》，这个项目将使用Unity实现《塞尔达传说：旷野之息》的画面表现效果。

项目介绍

有没有觉得《The Bells' Arietta》中画面效果和《塞尔达传说：旷野之息》相差无几呢？

本文，我们将重点介绍《The Bells' Arietta》中，制作水着色器的工作流程。

在收集参考素材时，我会仔细观察现实中的效果，以及效果在游戏内的实现结果。这不仅有助于给予启发，而且也提供了实用的信息，告诉我可以实现什么东西，以及什么地方可能出现问题。

如果有人问我：在《塞尔达传说：旷野之息》中，什么东西会在神庙内提供独特的感觉？

我会把答案总结为三个重要部分：冰冷而美观的大理石、穿过空气的光束、以及清澈透明的水。认真思考后，我开始制作水着色器。


项目机制

由于游戏角色林克无法潜入水底，所以《塞尔达传说：旷野之息》的水会让玩家的摄像机一直保持在水面上。

在水体内渲染水效果时，通常需要复杂的着色器设置和额外的水下效果。而且，把摄像机限制在水面可以简化摄像机的移动。

我设定了相同的限制，这样便可以专注于从水面上观察水的外观，也让我可以使用着色器技巧，例如：为水下的雾效果使用深度缓冲区。

实现焦散效果

在光线被弯曲表面折射，然后投射到水底时，便会出现焦散效果中令人着迷的图案。常见的焦散效果例子是一杯水或游泳池表面被阳光照射时的画面。

下图是大海中的焦散效果。


首先，我们要解决的问题是焦散效果的动画。类似其它能量类效果，焦散效果有非常自然的外观。对于噪声部分，常用的方法是在Photoshop中使用简单的混合设置来制作原型。

在本示例中，我们可以注意到下图左侧的基本纹理。我为纹理的每个通道加入了少量偏移，用于计算光线折射。然后创建图层副本，把图案放大，然后把混合模式改为Darken变暗。


移动图层副本时，便会出现混合后的特别效果。在最后的图案中，通过附加方式把纹理混合到沙滩纹理上。在最终着色器中，两个图层会独立移动。


现在，我可以把结果从光线方向投射到对象上。通过使用NdotL和对象的阴影贴图加入额外遮罩，现在焦散效果几乎完成了。


后续步骤取决于对象本身，通常情况下会有一个高度值，该值会在对象所在水面的高度上划分效果。如果资源是小型模块化资源，该值会在多数情况下起到作用。

但是，如果连接的地形有不同高度，我们则无法定义通用的Cutoff值。使用深度缓冲区是一种解决方法，但在渲染透明对象前，我们无法获取该对象的深度。由于我们必须计算每个对象的焦散效果和着色器，因此整个效果的性能不是很好。

项目中，我使用的解决方法利用了游戏引擎中透明对象的特点。这类对象不会渲染到深度缓冲区或G缓冲区，因此我可以访问所有水下对象的法线和深度信息。

深度信息用于计算世界位置，这种方法通常用于后期处理效果。通过使用这种方法，所有工作都可以在一个着色器内完成，焦散效果会自动影响写入深度缓冲区的所有内容。


纹理制作

水着色器由多个部分组成。它利用了一个经典方法：让两个法线贴图以不同速度和大小互相重叠滚动，这样就可以轻松调整表面的外观。

这个方法也适用于焦散纹理和另一个噪声纹理，用来实现水泡等更多细节。由于使用平面映射，在水流到达特定角度时，水的流速也会变快，因此我可以把该着色器放到任何位置，使水的流动效果接近现实。

水着色器的功能如下：

• 带有法线贴图的表面细节。
• 在角度较大的位置，流速会变快。
• 焦散效果会从阳光方向投射到表面下的所有内容。
• 基于深度的折射效果，因此在浅水区的折射效果较小。
• 水面上的水泡和阴影。
• 水下的雾、模糊和色差效果。
• 通过顶点颜色定义位移效果区。
  

使用Unity的挑战

在实现逼真的水着色器时，平衡美感和交互性是关键。无论现实与否，水都应该看起来富有活力，这就是为什么即使是《塞尔达传说：风之杖》的单色海洋也会使人感到逼真的原因。

使用顶点替换和滚动两个法线贴图的方法是一个很好的起点，我们还会加入一些折射效果，使用基本的水着色器做进一步优化。


另一个重要部分是交互性，例如：游泳时角色会产生波浪，碰撞时会溅起水花，岸边的沙子碰到水浪时会变湿。

将水加入游戏世界时，我们要让它和所有内容融合起来，而不是类似互相独立的物体。当然，这也很大程度上取决于游戏的特定需求。


如果想要知道自己的水着色器效果如何，我们可以询问别人是否想在这片虚拟的像素流体中游泳。如果对方回答是的话，这将是很积极的评价。

关于处理着色器的建议

在处理着色器时，必须清楚自己想要实现的效果，并根据游戏机制来进行开发。着色器是很好的工具，可以把游戏过程和游戏世界融合起来。对于着色器初学者，建议建立自己的工具库，从而制作出色的效果。

我总会尝试实现想法中的新功能，即使可能不会在任何项目中使用这些功能。但如果现在花时间研究看似不实用的东西，它可能在未来会成为其它项目的重要部分。

虽然我们经常会使用新方法，但也别忘了经典的方法或更简单的方法。在游戏开发中，很多东西会发生变化，结合使用基本方法实现复杂的效果是一件很有趣的事。

如果你总是追寻最新方法，却忽视了过去的方法，这样可能会浪费潜在的优秀工具。我们应该充分利用新方法和旧方法的潜力，为我们的工作提供便利。


小结

对于着色器编程而言，水效果是很好的实现目标。目前有很多出色的效果案例，而且新的创意和艺术风格仍在不断给人惊喜，精美的水效果从不会过时，所以赶紧实践去完成精美的水效果吧。

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来源：Unity官方平台
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/7bvBBldIH3J7YrhRRsevPA