Unity实时反射——AngryBots示例项目地面实时反射效果剖析

Angry Bots是Unity安装程序自带的开源示例项目。该示例项目虽然已经发布很久了，但是其很多设计和实现仍然具有参考价值。 运行该项目仔细观察，可以发现其雨天地面效果是实时反射的。这里我们先阐明实时反射的原理，然后分析其绘制流程。

构造反射相机

视图矩阵

　　反射相机的视图矩阵由反射矩阵变换得到，反射矩阵由反射平面确定，下面列出反射矩阵推导过程。

反射位置




反射方向

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M1*M2即得到示例代码所示的反射矩阵。

1. static Matrix4x4 CalculateReflectionMatrix(Matrix4x4 reflectionMat, Vector4 plane)
   
2. {
   
3.     reflectionMat.m00 = (1.0F - 2.0F * plane[0] * plane[0]);
   
4.     reflectionMat.m01 = (-2.0F * plane[0] * plane[1]);
   
5.     reflectionMat.m02 = (-2.0F * plane[0] * plane[2]);
   
6.     reflectionMat.m03 = (-2.0F * plane[3] * plane[0]);
   
7.     reflectionMat.m10 = (-2.0F * plane[1] * plane[0]);
   
8.     reflectionMat.m11 = (1.0F - 2.0F * plane[1] * plane[1]);
   
9.     reflectionMat.m12 = (-2.0F * plane[1] * plane[2]);
   
10.     reflectionMat.m13 = (-2.0F * plane[3] * plane[1]);
    
11.     reflectionMat.m20 = (-2.0F * plane[2] * plane[0]);
    
12.     reflectionMat.m21 = (-2.0F * plane[2] * plane[1]);
    
13.     reflectionMat.m22 = (1.0F - 2.0F * plane[2] * plane[2]);
    
14.     reflectionMat.m23 = (-2.0F * plane[3] * plane[2]);
    
15.     reflectionMat.m30 = 0.0F;
    
16.     reflectionMat.m31 = 0.0F;
    
17.     reflectionMat.m32 = 0.0F;
    
18.     reflectionMat.m33 = 1.0F;
    
19.    return reflectionMat;
    
20. [align=left]}

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其中代码中4维数组plane存的是点法线式平面方程的参数。

投影矩阵

　　反射相机的投影矩阵并非常规的投影矩阵，反射面上的斜投影面才是反射相机真正的投影面，

所以需要用斜投影面代替掉常规的投影面。示例代码中给出了斜投影矩阵，

原理和推导过程参看本文末尾给出的参考文献链接。这里给出示意图：

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绘制流程　

1.创建反射摄像机reflectionCamera，reflectionCamera默认disable，用一张RenderTexutre来保存reflectionCamera绘制的结果，用来在之后的shader里采样。

1. reflectCamera.enabled = false;                                         
   
2. reflectCamera.targetTexture = CreateTextureFor(cam);

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1. private RenderTexture CreateTextureFor(Camera cam)
   
2. {
   
3. …
   
4.               RenderTexture rt = new RenderTexture(Mathf.FloorToInt(cam.pixelWidth * rtSizeMul), Mathf.FloorToInt(cam.pixelHeight * rtSizeMul), 24, rtFormat);                                         
   
5.               rt.hideFlags = HideFlags.DontSave;
   
6.               return rt;
   
7. }

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2.在LateUpdate中根据当前摄像机去构造反射摄像机变换矩阵，涉及到反射面reflectiveSurface的选取，示例中是选取合适的路面做反射面，然后手动调用绘制，绘制前设置前面剔除，绘制完置回。

1. private void RenderReflectionFor (Camera cam, Camera reflectCamera)
   
2. {
   
3. …
   
4.     //构造反射平面
   
5.      Vector3 pos = reflectiveSurface.transform.position;
   
6.               pos.y = reflectiveSurface.position.y;
   
7.               Vector3 normal = reflectiveSurface.transform.up;
   
8.               float d = -Vector3.Dot(normal, pos) - clipPlaneOffset;
   
9.               Vector4 reflectionPlane = new Vector4(normal.x, normal.y, normal.z, d);
   
10.             
    
11.     //构造反射视图矩阵                                         
    
12.               Matrix4x4 reflection = Matrix4x4.zero;
    
13.               reflection = CalculateReflectionMatrix(reflection, reflectionPlane);
    
14.     //得到反射摄像机位置                           
    
15.               oldpos = cam.transform.position;
    
16.               Vector3 newpos = reflection.MultiplyPoint (oldpos);
    
17.                   
    
18. //得到反射摄像机视图矩阵                                         
    
19.               reflectCamera.worldToCameraMatrix = cam.worldToCameraMatrix * reflection;
    
20.             
    
21. //得到反射摄像机投影矩阵                                         
    
22.               Vector4 clipPlane = CameraSpacePlane(reflectCamera, pos, normal, 1.0f);
    
23.                                                       
    
24.               Matrix4x4 projection =  cam.projectionMatrix;
    
25.                             projection = CalculateObliqueMatrix(projection, clipPlane);
    
26.                             reflectCamera.projectionMatrix = projection;
    
27.                            
    
28.               …
    
29. GL.SetRevertBackfacing(true);            
    
30. reflectCamera.RenderWithShader (replacementShader, "Reflection");                                         
    
31. GL.SetRevertBackfacing(false);
    
32. }

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Shader

　　反射面的材质接受反射相机绘制好的RenderTexture做为贴图对其采样。

示例中的反射面——地面shader增加了uv扰动参数和噪声贴图用来达到扭曲效果，

还叠加了一个水花效果，这样的话使得雨天地面反射更加真实，而不是干净得像一面镜子。

1. v2f_full vert (appdata_full v)
   
2. {
   
3.               …                                         
   
4. // uv坐标扰动，随时间变化
   
5.               o.normalScrollUv.xyzw = v.texcoord.xyxy * _TexAtlasTiling + _Time.xxxx * _DirectionUv;
   
6.             
   
7. //经验算法？！生成UV取水花贴图                                                                    
   
8. half3 worldSpace = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
   
9. worldSpace = (-_WorldSpaceCameraPos * 0.6 + worldSpace) * 0.07;
   
10. o.fakeRefl =  worldSpace.xz;                           
    
11.                            
    
12.               return o;
    
13. }
    
14. fixed4 frag (v2f_full i) : COLOR0
    
15. {
    
16.               fixed4 nrml = tex2D(_Normal, i.normalScrollUv.xy);
    
17.               nrml = (nrml - 0.5) * 0.1;
    
18.             
    
19. //UV扰动，在RenderTexture采样                                                                                                                           
    
20.               fixed4 rtRefl = tex2D (_ReflectionTex, (i.screen.xy / i.screen.w) +nrml.xy);
    
21.                                           
    
22.               //叠加上在水花贴图
    
23.               rtRefl += tex2D (_FakeReflect, i.fakeRefl + nrml.xy);
    
24.             
    
25.               //原贴图颜色                                                      
    
26.               fixed4 tex = tex2D (_MainTex, i.uv);
    
27.             
    
28. //SrcAlpha One混合模式叠加                           
    
29.               tex  = tex + tex.a * rtRefl;
    
30.                                           
    
31.               return tex;
    
32. }

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效果附School项目按示例方式添加雨水地面实时反射效果前后对比图：

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参考链接：

http://fp.optics.arizona.edu/optomech/Fall13/Notes/6%20Mirror%20matrices.pdf

http://www.terathon.com/lengyel/Lengyel-Oblique.pdf

高端大气上档次

瞧瞧看看

实时反射

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哈哈哈哈哈哈哈

好资源~！点赞

感谢分享{:1_144:}

灌灌灌灌灌灌灌灌灌

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啊啊啊啊啊啊

学习了。我知道的是添加反射探测头，但是不能反射周围物体。。还有别的方法解决嘛？

根本看不懂啊，还是支持下，谢谢分享

效果很高大上,虽然很想细入研究,但这向量题看得我头昏眼花