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前言

在游戏开发中，模拟雪效果是营造寒冷气氛的重要组成部分之一。本文将介绍如何使用Unity Shader编写一个模拟雪的Shader，通过调整参数实现雪花的积雪效果。

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一、什么是模拟雪的Shader？

1. 雪Shader原理

**纹理采样：**通过采样主纹理和法线贴图，获取雪花的颜色和法线信息。

**光照计算：**根据光照方向和视角，计算雪花表面的漫反射和环境光照，从而确定雪花的亮度和色彩。

法线贴图处理：使用法线贴图来模拟雪花表面的凹凸纹理，使得雪花在光照下产生变化的效果。

**参数控制：**通过Shader属性（Properties）和参数（_Snow、_SnowColor等）来控制雪花的外观和行为，实现雪花的动态效果和交互性。

总的来说，雪Shader利用计算机图形学的原理和技术，模拟出雪花在游戏场景中的外观和行为，从而增强了游戏的视觉体验和真实感

2. 雪Shader优缺点

优点：

视觉效果：雪Shader能够模拟出逼真的雪花效果，增加游戏场景的真实感和美观度。

**交互性：**通过Shader参数的调整，可以实现不同程度、不同方向的雪覆盖效果，使得游戏场景更具交互性和变化性。

**自定义性：**雪Shader的参数可以自定义调整，包括雪的颜色、密度、积雪等级等，以适应不同游戏场景的需求。

**性能：**通常情况下，合理设计的雪Shader能够在保证视觉效果的同时，保持较高的性能表现，不会对游戏的帧率造成过大影响。

缺点：

**复杂度：**编写和调试雪Shader需要一定的专业知识和经验，对于新手来说可能较为复杂。

**兼容性：**不同的平台和设备对Shader的兼容性可能有所不同，需要进行兼容性测试和调整。

**性能消耗：**如果雪Shader设计不当或者参数设置过于复杂，可能会对游戏性能产生一定的消耗，降低游戏的流畅度。

二、使用步骤

1. Shader 属性定义

// 定义属性
Properties {
	_MainTex("Texture", 2 D) = "white" {} // 主纹理
	_Diffuse("Color", Color) = (1, 1, 1, 1) // 漫反射颜色
	_BumpMap("Normal Map", 2 D) = "white" {} // 法线贴图
	_BumpScale("Bump Scale", float) = 1 // 法线贴图缩放
	_Outline("Outline", Range(0, 0.2)) = 0.1 // 轮廓宽度
	_OutlineColor("OutlineColor", Color) = (0, 0, 0, 0) // 轮廓颜色
	_Step("Step", Range(1, 30)) = 1 // 阶梯化步数
	_ToonEffect("ToonEffect", Range(0, 1)) = 0.5 // 卡通效果
	//_Snow("Snow Level", Range(0,1)) = 0.5  // 积雪等级
	_SnowColor("SnowColor", Color) = (1, 1, 1, 1) // 积雪颜色
	_SnowDir("SnowDir", Vector) = (0, 1, 0) // 积雪方向
}

这部分定义了Shader的属性，包括主纹理、漫反射颜色、法线贴图等，以及控制雪效果的参数，注释Snow Level是方便后续在c#代码中调整

2. SubShader 设置

SubShader
{
    Tags
    {
        "RenderType"="Opaque"  // 渲染类型为不透明
    }
    LOD 100  // 细节级别

    UsePass "Unlit/Cartoon/Outline"  // 使用轮廓Pass
}

在SubShader中设置了渲染类型为不透明，并使用了轮廓Pass来增加渲染效果。
使用UsePass复用了之前的轮廓pass
轮廓pass

3. 渲染 Pass

Pass 
{
	CGPROGRAM
    #pragma vertex vert 
    #pragma fragment frag
    #pragma multi_compile __ SNOW_ON // 根据宏定义编译多个版本的着色器代码
    #include "UnityCG.cginc" // Unity 内置 CG 函数库
	#include "Lighting.cginc" // 光照函数库


	sampler2D _MainTex; // 主纹理采样器
	float4 _MainTex_ST; // 主纹理缩放和偏移参数
	fixed4 _Diffuse; // 漫反射颜色
	float _Step; // 计算漫反射阶梯
	float _ToonEffect; // 卡通效果参数
	sampler2D _BumpMap; // 法线贴图采样器
	float4 _BumpMap_ST; // 法线贴图缩放和偏移参数
	float _BumpScale; // 法线贴图缩放因子
	//积雪
	float _Snow; // 积雪级别参数
	float4 _SnowColor; // 积雪颜色
	float4 _SnowDir; // 积雪方向
} 

这里开始了渲染 Pass 部分。在这里，我们使用了 CGPROGRAM 指令来声明顶点着色器和片元着色器函数。#pragma vertex vert 和 #pragma fragment frag 分别指定了顶点着色器函数和片元着色器函数的名称。

然后，我们包含了 UnityCG.cginc 和 Lighting.cginc，它们提供了许多有用的函数和宏，用于简化编写 Shader。

4. 定义结构体和顶点着色器函数

// 定义结构体：从顶点到片元的数据传递
struct v2f {
	float4 vertex: SV_POSITION; // 顶点位置
	float4 uv: TEXCOORD0; // 纹理坐标
	float4 TtoW0: TEXCOORD1; // 切线空间转世界空间矩阵
	float4 TtoW1: TEXCOORD2; // 切线空间转世界空间矩阵
	float4 TtoW2: TEXCOORD3; // 切线空间转世界空间矩阵
};

// 顶点着色器函数
v2f vert(appdata_tan v) {
	v2f o;
	o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点转剪裁空间
	o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex); // 主纹理坐标
	o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _BumpMap); // 法线贴图坐标

	fixed3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); // 世界空间位置
	fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 世界空间法线
	fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz); // 世界空间切线
	fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w; // 世界空间副切线

	o.TtoW0 = float4(worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x, worldPos.x); // 切线空间转世界空间矩阵
	o.TtoW1 = float4(worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y, worldPos.y); // 切线空间转世界空间矩阵
	o.TtoW2 = float4(worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z, worldPos.z); // 切线空间转世界空间矩阵

	return o;
}

这段代码是顶点着色器中的函数，其主要作用是将顶点从对象空间转换到剪裁空间，并计算顶点的纹理坐标、世界空间位置以及世界空间法线、切线、副切线方向，并将这些数据保存在顶点结构体中，以便后续的像素着色器使用

5. 片元着色器函数

// 片元着色器
fixed4 frag(v2f i): SV_Target 
{
	fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT; // 环境光

	fixed4 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv); // 主纹理采样

	float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w, i.TtoW1.w, i.TtoW2.w); // 世界空间位置

	fixed3 lightDir = UnityWorldSpaceLightDir(worldPos); // 光照方向
	fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos)); // 视线方向

	//求法线
	fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap, i.uv.zw); // 法线贴图采样
	fixed3 tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal); // 切线空间法线解码
	tangentNormal.xy *= _BumpScale; // 法线贴图缩放
	fixed3 worldNormal = normalize(float3(dot(i.TtoW0.xyz, tangentNormal), dot(i.TtoW1.xyz, tangentNormal),
		dot(i.TtoW2.xyz, tangentNormal))); // 世界空间法线

	float difLight = dot(lightDir, worldNormal) * 0.5 + 0.5; // 漫反射光照
	difLight = smoothstep(0, 1, difLight); // 漫反射光照平滑处理
	float toon = floor(difLight * _Step) / _Step; // 计算漫反射阶梯
	difLight = lerp(difLight, toon, _ToonEffect); // 考虑卡通效果
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * _Diffuse.rgb * difLight; // 漫反射颜色

	fixed4 color = fixed4(ambient + diffuse, 1); // 最终颜色

	#if SNOW_ON
	if (dot(worldNormal, _SnowDir.xyz) > lerp(1, -1, _Snow)) // 判断是否处于积雪区域
	{
		color.rgb = _SnowColor.rgb; // 使用积雪颜色
	} else {
		color.rgb = color.rgb; // 使用漫反射颜色
	}
	#endif


	return color; // 返回最终颜色
}

这段片元着色器代码负责计算每个像素的颜色。它首先从主纹理中采样颜色，并根据光照方向和视线方向计算漫反射光照。同时，它也考虑了法线贴图，将切线空间法线转换为世界空间法线，并应用漫反射效果。最后，如果开启了积雪效果，它会根据像素的法线与积雪方向的夹角来决定是否应用积雪颜色。

6. 控制雪大小的脚本

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class Snow : MonoBehaviour
{
    private const string SnowOn = "SNOW_ON"; // 积雪关键字
    private const string SnowLevel = "_Snow"; // 积雪级别参数

    private bool isShow = true; // 是否显示积雪
    private float timer; // 计时器

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        Shader.EnableKeyword(SnowOn); // 启用积雪关键字
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        if (Input.GetKey(KeyCode.A)) // 如果按下 A 键
        {
            if (isShow) // 如果正在显示积雪
            {
                timer += Time.deltaTime; // 计时器增加
                if (timer > 5) // 如果计时器超过 5 秒
                {
                    isShow = false; // 停止显示积雪
                    timer = 0; // 重置计时器
                }

                // 设置全局积雪级别参数
                Shader.SetGlobalFloat(SnowLevel, timer / 25);
            }
        }
        else if (Input.GetKey(KeyCode.D)) // 如果按下 D 键
        {
            isShow = true; // 开启显示积雪
            Shader.SetGlobalFloat(SnowLevel, 0f); // 设置全局积雪级别参数为 0
        }
    }
}

三、效果

四、总结

在本文中，我们介绍了如何使用Unity Shader编写一个模拟雪效果的Shader。首先，我们了解了雪Shader的原理，包括纹理采样、光照计算、法线贴图处理以及参数控制。然后，我们详细介绍了雪Shader的优缺点，其中优点包括视觉效果逼真、交互性强、自定义性高以及性能表现良好，缺点则包括编写复杂、兼容性问题和性能消耗等方面。

接着，我们按照使用步骤分为Shader属性定义、SubShader设置、渲染Pass、定义结构体和顶点着色器函数以及片元着色器函数等几个部分进行了详细的讲解。在每个部分，我们展示了相关代码，并解释了其作用和实现原理。

最后，我们展示了雪Shader的效果图，并通过视觉呈现了其在游戏场景中的应用效果。

综上所述，本文提供了一个基于Unity Shader的雪效果实现方案，并通过详细的步骤和代码解析，帮助大家理解了如何编写和使用这样一个Shader，从而为游戏开发中营造寒冷气氛提供了一种可行的技术方案。