开发经验 | 在Unity中实现水体动态效果

本文将由开发者Olivers Pavicevics分享如何在Unity中处理水效果的各种制作难题。

前提介绍

Olivers Pavicevics是一名意大利的大学教授以及Unity的开发者，他开发了Unity插件资源：VR Panorama 360 Pro和CScape。

在本文中我们分享的是他正在开发的插件项目NordLake的一些经验感受。NordLake是针对VR进行优化的Unity水体系统，本文中视频中的内容，均是Unity中的效果，而非照片效果。

从2016年9月Olivers在Unity官方论坛进行公布后，受到很多开发者的期待，但是由于其个人精力有限，对效果精益求精，目前NordLake依旧是一个开发中的项目，并没有正式发布在Asset Store资源商店。

Olivers提供了一个旧版的NordLake资源包，提供免费测试使用，并且接受反馈，以对NordLake进行最后的修改。一些使用过的人员对此给予高度赞扬，表示：惊叹于NordLake展示的效果与美丽，让人就像站在一个平静的湖边。

如果你希望了解NordLake更多信息，以及下载该测试包，请访问：

https://forum.unity.com/threads/nordlake-optimised-water-system.390012/

常见项目问题

在处理此类项目时，我将从实际难题开始着手。下面我将列出曾经遇到有关水系统相关问题：

1. 几乎所有水系统都使用半透明着色器。但使用半透明着色器可能会带来和图像效果有关的严重问题，这意味着我们无法渲染阴影和基于深度的图像效果，例如：SSR（次表面散射），AO（环境遮蔽）或DOF（景深）。

2. 较逼真的系统会使用一个或二个额外摄像机，并需要多次渲染场景，此处指没有水体，反射平面和折射视图的正常场景。对于VR而言，由于必须对场景渲染4～6次，这意味着会对性能产生很大影响，因为我们必须渲染立体视图。 

3. 现有的多数水系统都用于模拟大海的水体，但对于平静的水体却几乎没有效果逼真的解决方案。

4. 多数水系统在处理模糊和浑浊水体时存在问题。

在第一阶段中，我的重点不在动态水体，我主要考虑如何制作好着色器，使它既能在VR上高效工作，又适用于移动端系统。

参考效果

水的参考效果来源于现实生活。我花了大量时间观察芬兰的一个湖泊，了解一天中不同时间段和不同天气下水面的效果。在湖边花的时间给我带来了创作灵感，让我开始制作NordLake项目，实现其它水系统所缺乏的效果。

逼真感

我认为实现逼真感的关键并不在于完美的物理模拟效果，至少目前没有足够的CPU和GPU性能来实时计算所有可用的流体动态效果。

所以我尝试的是通过艺术角度处理问题，而不是依照复杂的物理计算公式。这种方法主要源于对现实世界的观察，并描绘现实世界的画面。区别在于：使用的不是油彩和画板，而是着色器。

处理这类表面的一个主要难题是，水表面可以从不同距离观察，这意味着它们应该在短距离和长距离都有一定可信度。

下图中，我们近距离观看到的是清澈的水波，远距离则是没有反射效果的表面。

水的另一个问题在于，它不是完全清澈的。我们总会看到有东西漂浮在水中，例如植物，昆虫和鱼，它们让水产生波纹，这也是需要在水上实现的一个特点。

但是我无法使用简单的平铺纹理，所以我使用了水的深度信息，来实现水面的多个特性，该效果通过使用纹理数组来完成。纹理数组很强大，它能将大量纹理打包到一个纹理中，该纹理可以被着色器用作单个纹理。

波浪

在尝试实现交互式水体的不同方法后，我发现这些方法对最终用户来说效果有限且难以使用。当必须绘制大型表面时，流体贴图却难以制作，而且在工具中绘制流体贴图要求掌握熟练的功底和艺术技巧，过程非常繁琐。

于是我使用了最简单的方法：水的动态效果由简单的粒子生成。它能在不影响渲染性能的同时，轻松控制艺术效果。

我使用了要渲染到渲染纹理的粒子，以及特别着色器，从该深度纹理创建法线贴图。这样得到的波浪虽然不完全符合物理，但是看起来很真实。这种方法非常灵活，因为它允许使用粒子作为波浪的来源，并使用图像遮罩来遮挡部分不需要粒子的区域。

我没有使用粒子来渲染微小的起伏效果，起伏效果是通过水面着色器的代码实现的，它们基于深度纹理的输入来产生效果。这种方法大幅提升了性能，因为带有波浪信息的深度纹理会很小，而且着色器只需要渲染大型波浪。这些场景中的波浪只在合适距离进行渲染，通常在其周围50米的距离内。该距离足够用于FPS类型视图。

最后，为了实现波浪或波纹，用户只需要将粒子系统加入场景中想要出现波浪的位置即可。它可以在静态对象下，也可以附加到移动对象上，例如下图的鲨鱼。由于使用了Unity粒子，那些波浪还能由碰撞体反弹。

挑战

Unity中的工作流程很直观：

• 你可以将Nordlake水平面添加到包含地形，即Unity地形或网格的场景。

• 单击按钮生成材质，湖泊的所有必要贴图会在几秒内生成，你可以按喜好设置材质参数，包括水颜色，菲涅尔因子和流速。

• 对于逼真渲染效果来说，最重要的是使用后期处理效果。由于NordLake适用于屏幕空间反射效果，所以启用SSR很重要。但这不是必要条件，因为NordLake也可以使用反射探针。

• 还有一个必备效果是泛光，因为对所有反射表面来说，当我们观察反射亮光的水面时，泛光效果有助于模拟眼睛看到的实际效果。

较强的波浪会需要其它方法来实现，但该方法没有现在所使用方法的优化程度。强劲的波浪要使用顶点替换功能，这意味着我们必须使用曲面细分着色器。

但需要注意曲面细分着色器不是所有平台都可用，这并不表示实现方法很难，只是要处理一些其它方面的问题。例如较强波浪带有不同的属性，因为它们会产生泡沫和内部折射。

建议

液体大概由50%的着色和50%的动态效果组成。不要低估这二个因素，如果着色达到60%，那么动态效果会变为40%。

简单来说，我会将所有液体作为粒子系统处理。在制作粒子系统前，必须考虑的一个问题是：我是让系统完全符合物理，还是让它看起来合理就行？

在我看来，人类无法区分准确符合物理的粒子流体和大致符合物理的运动效果。作为人类，我们善于感知自然的运动，因为我们每天都会看到这类运动，但我们通常看到的是宏观运动以及宏观的动态效果。

另一个“关注点”在于光线对该运动的表现行为。从这个角度看，对于微观运动，我们应该研究反射和光照的具体情况。手机摄像头是进行动态分析的好工具，它能捕捉60FPS以上帧率的画面。我喜欢使用视频捕捉，并将捕捉结果重叠在粒子系统上，以便得到符合现实世界的时间点和光照。

我做了一个测试，首先捕捉水表面的屏幕截图，只要其中一帧即可。然后观察那一帧画面，试着了解它是否可以使用。只有在我发现该画面符合照片效果时，才会开始处理水的运动效果。这可以与水结合，就像粒子一样，但问题在于，你必须找到合适的平衡，使视觉效果不会看起来太别扭。

小结

在Unity中实现水体动态效果的经验分享就介绍到这里，更多Unity开发经验分享尽在Unity官方中文论坛(UnityChina.cn)。

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