【Unity3D】水波特效

1 水波特效原理

​ 水面特效 中基于 Shader Graph 实现了模拟水面特效，包含波纹、起伏、折射、泡沫等细节，本文将基于屏幕后处理实现环形水波特效。

​ 水波特效属于 Unity3D 后处理特效，其原理是：对渲染后的纹理进行局部挤压和拉伸变换，即对局部 uv 坐标进行周期性的偏移运动，实现波纹效果。

​ 1）波形方程

​ 为简化水波模型，我们假设水波以机械波（正弦或余弦）传播，并且 0 时刻的水面波形函数为：

​ 其中，r 是质点距离水波中心的半径长度，w1 是波形角频率（值越大，波纹越密），A 是质点水平振动的振幅，offset 是质点的水平偏移量。

​ 2）振动方程

​ t 时刻，半径为 r 的质点水平偏移量为：

​ 其中，w2 是质点水平振动的角频率（值越大，质点振动越快）。

​ 本文代码资源见：Unity3D水波特效。

2 代码实现

​ WaterWaveEffect.cs

using UnityEngine;

[RequireComponent(typeof(Camera))]  // 屏幕后处理特效一般都需要绑定在像机上
public class WaterWaveEffect : MonoBehaviour {
    public float A = 0.01f; // 水面质点水平波动振幅
    public float w1 = 60; // 水波截面波形角频率(值越大, 波纹越密)
    public float w2 = 30; // 水面质点水平波动角频率(值越大, 水波质点振动越快)
    public float waveWidth = 0.3f; // 水波宽度(水波在扩散时, 后波会消失)
    public float waveSpeed = 0.3f; // 水波传播的速度
    private float waveTime; // 水波传播时间
    private Vector4 waveCenter; // 水波中心
    private Material waveMaterial; // 水波材质
    private bool enabledWave = false; // 水波开关

    private void Awake() {
        waveMaterial = new Material(Shader.Find("Custom/WaterWave"));
        waveMaterial.hideFlags = HideFlags.DontSave;
    }

    private void Update() {
        if (Input.GetMouseButton(0)) {
            waveCenter = new Vector2(Input.mousePosition.x / Screen.width, Input.mousePosition.y / Screen.height); // 屏幕坐标归一化
            enabledWave = true;
            waveTime = 0;
        }
    }

    void OnRenderImage (RenderTexture source, RenderTexture destination) {
        if (enabledWave) {
            SetWaveMaterialParams();
            Graphics.Blit (source, destination, waveMaterial);
            waveTime += Time.deltaTime;
            if (waveTime > 2 / waveSpeed) { // 水波传播到屏幕外面, 结束水波特效
                enabledWave = false;
            }
        } else {
            Graphics.Blit (source, destination);
        }
    }

    private void SetWaveMaterialParams() { // 设置水波材质参数
        waveMaterial.SetFloat("_A", A); // 水面质点水平波动振幅
        waveMaterial.SetFloat("_w1", w1); // 水波截面波形角频率(值越大, 波纹越密)
        waveMaterial.SetFloat("_w2", w2); // 水面质点水平波动角频率(值越大, 水波质点振动越快)
        waveMaterial.SetFloat("_t", waveTime); // 水波传播时间
        waveMaterial.SetVector("_o", waveCenter); // 水波中心
        waveMaterial.SetFloat("_waveDist", waveTime * waveSpeed); // 水波传播距离
        waveMaterial.SetFloat("_waveWidth", waveWidth); // 水波宽度(水波在传播时, 后波会消失)
    }
}

​ 说明：WaterWaveEffect 脚本组件需要挂在相机下。

​ WaveShader.shader

Shader "Custom/WaterWave"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("mainTex", 2D) = "white" {}
    }

    SubShader
    {
        Pass
        {
            ZTest Always
            Cull Off
            ZWrite Off
            Fog { Mode off }

            CGPROGRAM

            #pragma vertex vert_img // UnityCG.cginc中定义了vert_img方法, 对vertex和texcoord进行了处理, 输出v2f_img中的pos和uv
            #pragma fragment frag
            #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest

            #include "UnityCG.cginc"

            sampler2D _MainTex;
            float _A; // 水面质点水平波动振幅
            float _w1; // 水波截面波形角频率(值越大, 波纹越密)
            float _w2; // 水面质点水平波动角频率(值越大, 水波质点振动越快)
            float _t; // 水波传播时间
            float2 _o; // 水波中心坐标
            float _waveDist; // 水波传播距离
            float _waveWidth; // 水波宽度(水波在传播时, 后波会消失)

            fixed4 frag(v2f_img i) : SV_Target // 水波uv坐标的计算不能在顶点着色器中进行, 因为屏后处理的顶点只有屏幕的4个角顶点
            {
                float2 vec = i.uv - _o.xy;
                vec.x *= _ScreenParams.x / _ScreenParams.y; // 按照屏幕长宽比进行缩放
                float radius = length(vec); // 距离波中心的半径长度
                float leng = abs(radius - _waveDist);
                float offset = 0;
                if (leng < _waveWidth)
                {
                    offset = _A * sin(_w1 * radius - _w2 * _t) * (1 - leng / _waveWidth);
                }
                return tex2D(_MainTex, i.uv + offset * 0.707); // offset是一维的, uv是二维的, 需要除以根号2, 即乘以0.707
            }

            ENDCG
        }
    }

    Fallback off
}

3 运行效果

​ 点击屏幕任意位置，出现水波如下，注意观察地面和天空交界的直线，可以明显看到正弦波形。

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