1.基于uv的texture distortion
当液体静止时，它在视觉上与固体没有太大区别。 但大多数时候，我们的性能不一定支持去实现特别复杂的水物理模拟， 需要的只是在常规的静态材料的表面上让其运动起来。我们可以对网格的 UV 坐标实现动态变化，从而让表面的纹理效果实现变形的动态变化。
1.1. uv实时变化
我们直接生成一个默认unlit shader，然后赋予其对应的纹理图片，并且写入随时间变化的uv更新函数。
//in frag shader
i.uv += _Time.y;
为了实现随机方向的uv变化，我们这里引入一张指示流动方向的贴图。
float2 flowDir = tex2D(_FlowMap, i.uv);
i.uv += _Time.y * flowDir;
可以看到随着时间推移，出现了uv挤压过度的情况，我们这里可以直接用一个frac或者正弦函数来限制uv随时间的变化范围。
tilling为4显得纹理太小了，我们把tilling调整回1。
但是在进行实时变形的过程中，纹理会完全恢复到未变形的状态，还是有点过于奇怪，我们通过对三角函数进行缩放和位移，使纹理一直保持在变形的状态。
//即使得时间参数一直为正数
i.uv += (sin(_Time.y)/2.0 + 1.0) * flowDir;
当我们使用frac函数来对time进行限制的时候，就会出现突然抖动，一跳又变成了平整的未变形纹理的情况。这是由于frac本身会带来取值从1-0的非连续变化带来的。
1.2. 实现循环衔接
既然frac函数存在不连续的问题，我们就得想办法掩盖一下（或者直接换成sin函数）。掩盖的办法就是通过黑色的淡入淡出，来掩盖住发生纹理颜色跳跃的瞬间。
即在frac的极大值和极小值时，都需要是黑色，且其需要在原有的周期内，实现从最小值到最大值的变化，再由最大值变为最小值，周期缩短一半（橙色线条）。
///flowDir 命名时改为Float3，但其实这边单独设一个小数也可以的
flowDir.z = 1.0 - abs(1.0 - 2* time_fac);
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * flowDir.z;
为了让贴图的变形更多样化，增加信息量，我们引入相关的噪音，放入到flowmap中作为a通道。从a通道中采样noise信息，混入时间计算当中。
float3 flowDir;
flowDir.xy = tex2D(_FlowMap, i.uv).rg;
float noise = tex2D(_FlowMap, i.uv).a;
float time_fac = frac(_Time.y + noise);
flowDir.z = 1.0 - abs(1.0 - 2* time_fac);
i.uv += time_fac * flowDir;
fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * flowDir.z;
由于噪音的混入，使得渐变的黑色也能像波纹一样扩散。且本身引入噪音后，即便是不适用黑色进行渐入，非连续跳跃的问题也得到了有效缓解。
1.3. 混合纹理变形
当然通过黑色来进行淡入淡出，还是略显突兀一些，最好的方案肯定还是两种不同变形的纹理进行混合，通过权重进行区分。最好是当其中一个纹理的uv偏移为0时，另一个纹理的uv偏移为1，以确保能够全时刻都处在变形的状态。
首先我们要将原本放在frag shader里面计算uv偏移的部分打包成一个函数：
输入是变形前的uv，变形方向（采样自flowmap），时间参数和用于判断是否为第二个混合纹理的布尔参数。
返回值是三位浮点数，uvw，对应偏移后的uv以及对应的可见度参数。
float3 flowUVW(float2 uv, float2 flowVec, float3 time, bool Btag)
{
//period对应偏移周期
float phaseOffset = Btag? _Period: 0 ;
time += phaseOffset;
float3 uvw;
uvw.xy = uv + time * flowVec;
uvw.z = 1.0 - abs(1.0 - 2* time);
return uvw;
}
//in frag shader
float2 flowVec;
flowVec = tex2D(_FlowMap, i.uv).rg;
float noise = tex2D(_FlowMap, i.uv).a;
float time_fac = frac(_Time.y + noise);
float3 uvwA = flowUVW(i.uv, flowVec, time_fac, false);
float3 uvwB = flowUVW(i.uv, flowVec, time_fac, true);
fixed4 colA = tex2D(_MainTex, uvwA.xy) * uvwA.z;
fixed4 colB = tex2D(_MainTex, uvwB.xy) * uvwB.z;
fixed4 col = colA + colB;
会出现黑色区域过多的问题，目测是因为uvw的z值没有处理好，并没有做好严格的偏移1/2个周期，导致累加的效果有问题。所以我们这里需要换成:
fixed4 colA = tex2D(_MainTex, uvwA.xy) * uvwA.z;
fixed4 colB = tex2D(_MainTex, uvwB.xy) * (1 - uvwA.z);
确保两个权重相加为1，调整后黑波纹的效果改善了。
当然这里也可以对time += phaseOffset做调整，传入前的时间参数不再进行取小数，而改用frac函数处理传入后的值，能够实现一样的效果。
在计算uv时，为更好表现两个uv的偏移程度，最好在uv初始化时也加入偏移值。
//in flowUVW function
uvw.xy = uv + time * flowVec + phaseOffset ;
1.4.通过uv jumping调整循环的周期
目前来说，我们的uv动画的周期，完全取决于_Time.y的固定周期。若是我们想要自定义地去调整uv动画的周期，则需要人为地添加相应的变量。
这里我们引入了jump参数，一个二维浮点数变量。
我们可以分别定义jump参数在u方向，v方向上的数值，通过这两个数值来控制循环周期。
_UJump ("u direction jump para", Range(-0.25, 0.25)) = 0.25
_VJump ("v direction jump para", Range(-0.25, 0.25)) = 0.25
//in frag shader
float2 jump = float2(_UJump, _VJump);
在flowUVW，我们新传入入jump参数，在初始化uvw的xy值后，通过jump参数对uvw.xy做一个叠加。
float3 flowUVW_jump(float2 uv, float2 flowVec, float2 jump, float3 time, bool Btag){
float phaseOffset = Btag? _Period: 0 ;
float progress = frac(time + phaseOffset);
float3 uvw;
uvw.xy = uv + progress * flowVec + phaseOffset;
uvw.xy += (time - progress) * jump ;
uvw.z = 1.0 - abs(1.0 - 2* progress);
return uvw;
}
//in frag shader
float time_fac = _Time.y + noise;
float2 jump = float2(_UJump, _VJump);
float3 uvwA = flowUVW_jump(i.uv, flowVec, jump, time_fac, false);
float3 uvwB = flowUVW_jump(i.uv, flowVec, jump, time_fac, true);
可知我们得uv值的初始值是固定的，随着时间的变化，time值（即_Time.y + noise的值）逐渐增大，uvw.xy的值最终会以(time - progress) * jump为周期稳定循环，最终实现uv动画的可控周期。
在使得flowVec 为（0,0）时，我们能够比较明显地比较jump参数带来的周期差异：
左边是使用了jump为（0.25, 0）时的uv动画，右边为仅使用flowUVW的uv动画。
2. 为uv动画添加其他参数
2.1. Tilling
用于调整贴图缩放的参数，典中典操作。
//in flowUVW
uvw.xy = uv + progress * flowVec + phaseOffset;
uvw.xy *= _Tilling;
//.....
2.2. 动画速度
显然这个是放到跟_Time.y乘在一起的，影响uv动画的速度。
2.3. 变形/流动强度
通过设置相关参数，放大/缩小从a通道采样到的变形方向。
2.4. 通过变形偏移控制uv动画的清晰度
目前来看，uv动画的清晰度多少有点捉鸡，这是由uv偏移程度，和当前纹理的权重决定的。
显然，当uvw.z=1时，当前计算的颜色越清晰。（无论是a颜色还是b颜色，只要有其中一方的uvw.z为1时，另一方则一定为0）
当uvw.z=1时， progress值为1/2。即time + phaseoffset值为xxxxxx.5。
所以我们需要在uvw.z=1的前提下，添加一个_FlowOffset，通过和progress相互抵消，去抹平相应的uv偏移，使得uv不受flowVec引入的各向异性变形的影响。
//in flowUVW,
uvw.xy = uv + (progress + _FlowOffset) * flowVec + phaseOffset;
uvw.xy *= _Tilling;
使用_FlowOffset（左）和不使用_FlowOffset（右）的对比。
当变形强度增大时，清晰化的效果会更明显。
2.5. 替换颜色贴图
接下来我们使用真正的液体颜色贴图，以及对应的法线贴图。
同样的，我们需要各自用uvwA和uvwB对变换后的法线贴图进行采样，并对采样后的法线和进行标准化。
//in frag shader
//前置步骤：计算TBN矩阵，传递TBN矩阵，获取worldPos,执行uvwA,uvwB的计算等
float4 packedBumpA = tex2D(_NormalTex, uvwA.xy);
float4 packedBumpB = tex2D(_NormalTex, uvwB.xy);
float3 tangentSpaceNormalA = UnpackNormalWithScale(packedBumpA, _BumpScale);
float3 tangentSpaceNormalB = UnpackNormalWithScale(packedBumpB, _BumpScale);
float3 worldNormalA = normalize(mul(tangent2World, tangentSpaceNormalA));
float3 worldNormalB = normalize(mul(tangent2World, tangentSpaceNormalB));
float3 worldNormal = normalize(worldNormalA + worldNormalB);
//后续步骤：bling-phong三部曲
2.6.尝试不同的噪音组合
我用SD也做了一点自制噪音贴图，主要是voronoi和bnw混合，以及voronoi和plasma混合，大家也可以自己做一些尝试。
如果是老版本的SD，没有voronoi节点的话，可以用tile generator加上distance来做一个简易的voronoi。
2.7. 通过derivative map增加法线细节
由于图像压缩的机制，常规的法线贴图往往会有一定程度的细节丢失。derivative map主要是将法线的x，y方向的偏导数（即切线和副切线的部分值）存储在a，g通道，而不需要经过再次转换。
我们直接通过a，g通道的值组成两个切线，并通过叉乘的方式反求法线。
同样的，我们写一个解包函数，把从图像中读取到的值恢复到（-1,1）的区间。
float3 UnpackDerivativeHeight(float4 textureData){
float3 dh = textureData.agb;
dh.xy = dh.xy * 2 - 1;
return dh;
}
在片元着色器中，我们全部删掉切线空间转换相关的内容，但是需要保留worldPos来做光照计算。其余的换成综合两个采样的法线贴图求解worldNormal的部分。
注意这里和catlikecoding大佬的教程不同，由于derivative map展开的是沿z方向的法线在xy方向的偏导数，但是我们没有再去求TBN矩阵来做转换，而是直接使用相应的值。需要还原出来的法线是沿y方向的，所以需要调整下相应的组成分布来求解正确的法线方向。
//in frag shader
float3 dhA = UnpackDerivativeHeight(tex2D(_DerivHeightMap, uvwA.xy)) * uvwA.z;
float3 dhB = UnpackDerivativeHeight(tex2D(_DerivHeightMap, uvwB.xy)) * uvwB.z;
float2 worldNormalXY = -(dhA.xy + dhB.xy);
float3 worldNormal = normalize(float3(worldNormalXY.x, 1, worldNormalXY.y));
//正常计算bling-phong
右边为使用derivative map的uv流体动画。
2.8.控制浪高
通过增加可调的_HeightScale参数，影响采样后的权重计算。
float3 dhA = UnpackDerivativeHeight(tex2D(_DerivHeightMap, uvwA.xy)) * (uvwA.z * _HeightScale);
float3 dhB = UnpackDerivativeHeight(tex2D(_DerivHeightMap, uvwB.xy)) * (uvwB.z * _HeightScale);
更近一步的，我们能够通过波流动速度来影响浪高。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-779810.html
float finalHeightScale = length(flowVec) * _Flow2HeightScale + _HeightScale;
float3 dhA = UnpackDerivativeHeight(tex2D(_DerivHeightMap, uvwA.xy)) * (uvwA.z * finalHeightScale);
float3 dhB = UnpackDerivativeHeight(tex2D(_DerivHeightMap, uvwB.xy)) * (uvwB.z * finalHeightScale);
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-779810.html
到了这里，关于【unity shader】水体渲染基础-基于texture distortion的流体流动材质的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
