創作類《塞爾達傳說：曠野之息》風格的水著色器

《塞爾達傳說：曠野之息》是任天堂遊戲公司出版發行的開放世界動作冒險遊戲。發售以來獲得業界極高評價，2017年獲金搖桿獎年度最佳遊戲獎，TGA 2017年度最佳遊戲。

來自德國柏林22歲的Florian Gelzenleuchter也是這款遊戲的忠實粉絲，他正在獨立製作一個專案《The Bells' Arietta》，這個專案將使用Unity實現《塞爾達傳說：曠野之息》的畫面表現效果。

專案介紹

有沒有覺得《The Bells' Arietta》中畫面效果和《塞爾達傳說：曠野之息》相差無幾呢？

本文，我們將重點介紹《The Bells' Arietta》中，製作水著色器的工作流程。

在收集參考素材時，我會仔細觀察現實中的效果，以及效果在遊戲內的實現結果。這不僅有助於給予啟發，而且也提供了實用的資訊，告訴我可以實現什麼東西，以及什麼地方可能出現問題。

如果有人問我：在《塞爾達傳說：曠野之息》中，什麼東西會在神廟內提供獨特的感覺？

我會把答案總結為三個重要部分：冰冷而美觀的大理石、穿過空氣的光束、以及清澈透明的水。認真思考後，我開始製作水著色器。


專案機制

由於遊戲角色林克無法潛入水底，所以《塞爾達傳說：曠野之息》的水會讓玩家的攝像機一直保持在水面上。

在水體內渲染水效果時，通常需要複雜的著色器設定和額外的水下效果。而且，把攝像機限制在水面可以簡化攝像機的移動。

我設定了相同的限制，這樣便可以專注於從水面上觀察水的外觀，也讓我可以使用著色器技巧，例如：為水下的霧效果使用深度緩衝區。

實現焦散效果

在光線被彎曲表面折射，然後投射到水底時，便會出現焦散效果中令人著迷的圖案。常見的焦散效果例子是一杯水或游泳池表面被陽光照射時的畫面。

下圖是大海中的焦散效果。


首先，我們要解決的問題是焦散效果的動畫。類似其它能量類效果，焦散效果有非常自然的外觀。對於噪聲部分，常用的方法是在Photoshop中使用簡單的混合設定來製作原型。

在本示例中，我們可以注意到下圖左側的基本紋理。我為紋理的每個通道加入了少量偏移，用於計算光線折射。然後建立圖層副本，把圖案放大，然後把混合模式改為Darken變暗。


移動圖層副本時，便會出現混合後的特別效果。在最後的圖案中，通過附加方式把紋理混合到沙灘紋理上。在最終著色器中，兩個圖層會獨立移動。


現在，我可以把結果從光線方向投射到物件上。通過使用NdotL和物件的陰影貼圖加入額外遮罩，現在焦散效果幾乎完成了。


後續步驟取決於物件本身，通常情況下會有一個高度值，該值會在物件所在水面的高度上劃分效果。如果資源是小型模組化資源，該值會在多數情況下起到作用。

但是，如果連線的地形有不同高度，我們則無法定義通用的Cutoff值。使用深度緩衝區是一種解決方法，但在渲染透明物件前，我們無法獲取該物件的深度。由於我們必須計算每個物件的焦散效果和著色器，因此整個效果的效能不是很好。

專案中，我使用的解決方法利用了遊戲引擎中透明物件的特點。這類物件不會渲染到深度緩衝區或G緩衝區，因此我可以訪問所有水下物件的法線和深度資訊。

深度資訊用於計算世界位置，這種方法通常用於後期處理效果。通過使用這種方法，所有工作都可以在一個著色器內完成，焦散效果會自動影響寫入深度緩衝區的所有內容。


紋理製作

水著色器由多個部分組成。它利用了一個經典方法：讓兩個法線貼圖以不同速度和大小互相重疊滾動，這樣就可以輕鬆調整表面的外觀。

這個方法也適用於焦散紋理和另一個噪聲紋理，用來實現水泡等更多細節。由於使用平面對映，在水流到達特定角度時，水的流速也會變快，因此我可以把該著色器放到任何位置，使水的流動效果接近現實。

水著色器的功能如下：

• 帶有法線貼圖的表面細節。
• 在角度較大的位置，流速會變快。
• 焦散效果會從陽光方向投射到表面下的所有內容。
• 基於深度的折射效果，因此在淺水區的折射效果較小。
• 水面上的水泡和陰影。
• 水下的霧、模糊和色差效果。
• 通過頂點顏色定義位移效果區。
  

使用Unity的挑戰

在實現逼真的水著色器時，平衡美感和互動性是關鍵。無論現實與否，水都應該看起來富有活力，這就是為什麼即使是《塞爾達傳說：風之杖》的單色海洋也會使人感到逼真的原因。

使用頂點替換和滾動兩個法線貼圖的方法是一個很好的起點，我們還會加入一些折射效果，使用基本的水著色器做進一步優化。


另一個重要部分是互動性，例如：游泳時角色會產生波浪，碰撞時會濺起水花，岸邊的沙子碰到水浪時會變溼。

將水加入遊戲世界時，我們要讓它和所有內容融合起來，而不是類似互相獨立的物體。當然，這也很大程度上取決於遊戲的特定需求。


如果想要知道自己的水著色器效果如何，我們可以詢問別人是否想在這片虛擬的畫素流體中游泳。如果對方回答是的話，這將是很積極的評價。

關於處理著色器的建議

在處理著色器時，必須清楚自己想要實現的效果，並根據遊戲機制來進行開發。著色器是很好的工具，可以把遊戲過程和遊戲世界融合起來。對於著色器初學者，建議建立自己的工具庫，從而製作出色的效果。

我總會嘗試實現想法中的新功能，即使可能不會在任何專案中使用這些功能。但如果現在花時間研究看似不實用的東西，它可能在未來會成為其它專案的重要部分。

雖然我們經常會使用新方法，但也別忘了經典的方法或更簡單的方法。在遊戲開發中，很多東西會發生變化，結合使用基本方法實現複雜的效果是一件很有趣的事。

如果你總是追尋最新方法，卻忽視了過去的方法，這樣可能會浪費潛在的優秀工具。我們應該充分利用新方法和舊方法的潛力，為我們的工作提供便利。


小結

對於著色器程式設計而言，水效果是很好的實現目標。目前有很多出色的效果案例，而且新的創意和藝術風格仍在不斷給人驚喜，精美的水效果從不會過時，所以趕緊實踐去完成精美的水效果吧。

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來源：Unity官方平臺
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/7bvBBldIH3J7YrhRRsevPA