教程 | 在Unity中实现逼真的下雨效果
在《Unity 2017中Cinemachine新功能案例详解》这场技术直播课程中。我们曾经为大家介绍过小型项目《Neon》的场景搭建，并展示了Cinemachine在过场动画以及游戏玩法方面的强大能力。不少开发者询问场景中逼真的下雨效果是如何实现的。今天Unity技术经理成亮将会为大家详解如何在Unity中实现逼真的下雨效果。
《Neon》项目中逼真的下雨效果实际上是一个自定义的后处理效果，不过和通常的平面后处理效果有所不同的是，雨水有距离感，有光感，也有从天而降的倾泻感 ，所以显得很真实。本文就会通过一个简单的示例，介绍这个效果的实现原理。
说明：为了方便大家学习，我们将为本文提供相应案例下载，下载地址请在本文末资源“相关资源”查询。
场景搭建
在《Neon》项目的场景中，我们看到当雨水穿越光线的效果。为了模拟出这样的效果，我们在示例场景中也需要添加相应的光源和雾效。需要说明的是，该场景中使用的体积光使用了Unity提供的开源组件VolumeLighting。
场景搭建的主要步骤如下：
在MainCamera中添加VolumetricFog组件
首先添加VolumeFog组件，可以方便查看后面添加的体积光的范围。添加好后，可以在组件中调整全局雾密度等相关参数。
添加区域光和管状光，并调整灯光的范围
在VolumetricLighting文件夹里面可以找到AreaLight和TubeLight的预制件，可以直接加入到场景中。下图是一个AreaLight的例子，我们可以调整他的范围以及光线强度等参数。
场景搭建完成后，我们就可以看到下图所示的效果了。
实现自定义后期处理类
Unity最新的后处理栈V2版本提供了多种后期处理效果，包括Bloom，AutoExposure，MotionBlur，ColorGrading等多种特效。使用也非常的方便，主要就是PostProcessVolume，和PostProcessLayer二个组件。具体使用可以参考快速指南。除此之外，我们还可以很方便的添加自定义的后处理效果。
下面我们就来实现我们的后期处理类吧，主要有下面二步。
实现自定义特效的设置
首先需要创建一个类PPRainFX 并继承于 PostProcessEffectSettings。然后重载函数IsEnableAndSupported，主要是为了确保在场景中存在PPRain实例的时候特效才能被使用。
PPRain是特效的主要实现脚本。由于该下雨特效的参数我们都放到PPRain中去配置了，所以在此处，我们并没有定义设置相关的参数。
实现自定义特效的渲染
先创建一个类PPRainFXRenderer，继承于PostProcessEffectRenderer<PPRainFX>。然后重载Renderer函数，在该函数中，我们主要是把PostProcessRendererContext中保存的摄像机，渲染源，渲染目标，以及命令缓存传递给PPRain的Render函数。后面我们会具体解释Render函数的实现。
下面这张图是PPRainFX.cs的内容，包含了后期处理类的完整实 46 32846 46 15262 0 0 3739 0 0:00:08 0:00:04 0:00:04 3739现。
渲染下雨动画
下雨动画的实现，很自然的想法就是把雨水画到屏幕上，然后利用UV动画实现下雨效果。
可是在3D的场景中，随着镜头的旋转，雨水的视觉效果会相应的变化，尤其是当镜头向上的时候，你会觉得雨水是从一个很远的点发射出来，如下图所示。
为了实现这样雨水从天而降的倾泻感，我们把雨水的贴图贴到一个类似于纺锤体的模型上。
说完基本原理，接下来我们就讲一下具体的实现，主要有以下二步。
创建PPRain类，实现参数配置以及模型绘制功能
先看下目前所需要的一些设置参数，如下图所示，变量rainShader, rainMesh, rainTexture用于绑定着色器，模型，贴图，rainData0是用于调整UV动画的参数。
再看一下Render函数，该函数实现了模型的绘制，会被之前说的后处理栈的render函数调用。在该函数中，首先会设置shader的参数，然后通过drawMesh绘制模型。xform定义了模型的坐标变换，可以看到模型会随着摄像机移动，也就是说可以一直在镜头中看到下雨到效果。
创建PPRainShader，实现UV动画。
下图是PPRainShader的frag函数，注意uv坐标计算部分的代码，我们使用_UVData0对uv实现比例和位移变换，从而控制雨滴的大小以及x和y方向的位移速度。经过变换后的uv0就是实际用来贴图采样的坐标。
实现雨水的距离感
现在我们已经基本实现了下雨的动画效果。但是为了更加真实，我们还需要更近一步，让雨水有距离感。也就是说近距离的雨水会更加明亮，远距离的会变暗，而且会被近距离的物体所遮挡。为了实现这样的效果，我们主要需要以下三步：
获得当前像素点的深度信息
在shader中获得当前像素点的深度信息用于判断遮挡关系。如下图所示，这是frag函数中的一段代码，通过内置的_CameraDepthTexture变量可以获取到当前Camera的深度信息，并使用UnityCG中定义的Linear01Depth函数将其转换为线性范围，然后再乘以远剪裁面的值进行放大便于后续使用。最后得到的linearViewDepth就是我们需要的当前像素的深度值。
计算雨水的深度
如下图所示，我们其实在制做贴图的时候通过g分量来表示了雨水的深度，layerDistances.x 和layerDistances.y分别表示雨水的最近和最远距离。所以最后我们可以计算出雨水的深度值layerDistance。
计算雨水明暗度以及处理遮挡
继续看上图中depthscale的计算，当物体的深度（sceneViewDepth）超过了雨水的深度（layerDistance）一定范围后，depthscale为1，显示雨水，反之为0，雨水被遮挡。在明暗变化方面，我们用了贴图的r分量（rainAndDepth.r）,实际意义和之前的rainAndDepth.g是一样的。最后我们得到的output.a实际上就是包含了雨水的明暗变化以及遮挡关系。
实现光感
最后，我们还需要考虑当雨水穿过场景中的体积光时，颜色的变化。这部分的实现在InjectedLight函数中，如下图所示。
首先，我们需要计算在雨水在体积雾中的深度值z。在z的计算公式中，我们看到了_CameraFarOverMaxFar, _NearOverFarClip这个几个变量，它们是在VolumetricFog中设置到shader中的全局变量。我们把z的计算公式稍微化简后得到下面的公式
z = (linear01Depth * Camera.farClipPlane - VolumetricFog.nearClip) /
(VolumetricFog.farClip - VolumetricFog.nearClip)
从化简后的公式中，我们可以看出z最后被转化到在VolumetricFog剪裁空间坐标。有了坐标后，我们就可以通过Tex3D函数取得体积光中的颜色值了。_VolumeScatter也是在VolumetricFog中定义的保存体积光的3D贴图。
实现效果
通过上面几个步骤，我们大概了解了如何在后处理栈中实现较为真实的下雨效果。我们看到了Unity的后处理栈不光有很多内置的效果，也可以很方便的加入自定义效果。也看到了Unity 提供的开源插件VolumetricLight可以帮助我们实现多种体积光效果。在雨水效果的真实感方面，我们考虑了视角，距离，光感等因素，但其实还可以做更多，比如更多层次感，风力的模拟等等。
资源下载与参考
本文示例项目下载：
https://github.com/chengliang-u3d/PPRain
VolumeLighting
https://github.com/Unity-Technologies/VolumetricLighting
PostProcessing
https://github.com/Unity-Technologies/PostProcessing/tree/v2
小结
希望通过本文的抛砖引玉，让大家都有兴趣去实现自己的后处理效果。更多精彩案例与教程尽在Unity官方社区(unitychina.cn）！
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