【节点】[Refract节点]原理解析与实际应用

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

在Unity URP Shader Graph中，Refract节点是一个功能强大的工具，用于模拟光线在不同介质之间传播时发生的折射现象。折射是光学中的基本物理现象，当光线从一种介质进入另一种密度不同的介质时，其传播方向会发生改变。这种效果在现实世界中随处可见，比如水中的物体看起来位置偏移，玻璃透镜对光线的聚焦作用，或者热空气上方的景象产生扭曲等。

Refract节点通过精确的物理计算来重现这些效果，为游戏和实时渲染应用增添了重要的视觉真实感。该节点基于斯涅尔定律（Snell's Law）的原理实现，这是描述光线折射行为的基本物理定律。斯涅尔定律表明，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于两种介质的折射率之比。

在折射计算中，存在一个重要的物理概念——全内反射角。当光线从高折射率介质进入低折射率介质时，如果入射角大于某个特定角度（临界角），光线将不会发生折射，而是完全被反射回原介质。这种现象称为全内反射，光纤通信就是基于这一原理工作的。

为了避免在全内反射情况下产生无效的数学结果（NaN），Refract节点提供了两种工作模式：Safe模式和CriticalAngle模式。Safe模式会在达到临界角时返回一个空向量，确保计算的稳定性；而CriticalAngle模式则会严格遵循物理定律，可能在临界条件下产生NaN结果。在大多数实际应用中，推荐使用Safe模式以保证着色器的稳定性。

端口

Refract节点包含多个输入和输出端口，每个端口都有特定的功能和用途：

名称	方向	类型	绑定	描述
Incident	输入	Vector	无	从光源到表面的标准化向量。这个向量表示入射光线的方向，必须是单位向量。在实际应用中，这可以是从光源到像素的向量，或者从摄像机到表面的向量，取决于具体的渲染需求。
Normal	输入	Vector	无	引起折射的表面的标准化法向量。法向量定义了表面的朝向，对折射方向的计算至关重要。必须确保输入的法向量是单位向量，否则会导致不准确的折射效果。
IOR Source	输入	Float	无	光源所处介质的折射率。折射率是描述介质对光线偏折能力的物理量，真空的折射率为1.0，空气约为1.0003，水约为1.33，玻璃约为1.5-1.9。
IOR Medium	输入	Float	无	光线折射进入的介质的折射率。这个值决定了光线进入新介质后的偏折程度。
Refracted	输出	Vector	无	折射后的向量。这是计算得到的折射光线方向，可以用于后续的着色计算，如采样环境贴图或计算光照。
Intensity	输出	Float	无	折射的强度。这个输出值表示折射效果的强度，可以用于混合折射效果与其他效果，或者控制折射的可见度。

输入端口详解

Incident向量是折射计算的起点，它定义了光线的初始方向。在实时渲染中，这个向量通常是从摄像机位置指向表面点的方向向量，或者是来自光源的方向向量。确保这个向量是标准化（单位长度）的非常重要，因为非标准化向量会导致不准确的折射计算。

Normal向量代表了表面的法线方向，它决定了折射发生的平面。在Shader Graph中，法线信息通常来自模型的顶点法线、法线贴图，或者是通过其他节点计算得到的自定义法线。与Incident向量一样，Normal向量也必须是标准化的。

IOR Source和IOR Medium两个参数共同决定了折射的强度。折射率比值（IOR Source / IOR Medium）越大，光线的偏折程度就越大。当光线从低折射率介质进入高折射率介质时（如从空气进入水），折射角会小于入射角；反之，当光线从高折射率介质进入低折射率介质时，折射角会大于入射角。

输出端口详解

Refracted输出端口提供了计算得到的折射方向向量。这个向量可以用于多种用途，最常见的是用于采样环境贴图（如Cubemap）来模拟透明材质的折射效果，或者用于光线追踪计算。

Intensity输出端口提供了折射效果的强度值，这个值基于菲涅尔效应和临界角计算得到。当入射角接近临界角时，折射强度会发生变化，这个输出可以帮助开发者创建更加物理准确的折射效果。

控制

Refract节点提供了一个重要的控制参数，用于管理全内反射情况下的处理方式：

名称	类型	选项	描述
Mode	下拉菜单	Safe、CriticalAngle	• Safe：在达到临界角时返回空向量结果，以避免NaN结果。这种模式确保了计算的稳定性，适合大多数实时渲染应用。• CriticalAngle：忽略Safe检查，严格遵循物理定律，可能在达到临界角时产生NaN结果。这种模式适合需要完全物理准确性的离线渲染或学术研究。

Mode控制详解

Safe模式是推荐的工作模式，特别是在实时渲染应用中。当入射角达到或超过临界角时，Safe模式会返回一个零向量，避免了数学上的不确定结果。这种处理方式虽然不完全符合物理定律，但在视觉上通常是可接受的，并且保证了着色器的稳定性。

CriticalAngle模式则严格遵循物理计算，不会对临界情况进行特殊处理。这种模式在入射角超过临界角时会产生无效的数学结果（NaN），这可能导致渲染错误或性能问题。只有在特定情况下，如学术研究或需要完全物理准确性的应用中，才建议使用此模式。

选择哪种模式取决于具体的应用需求。对于游戏和实时可视化应用，Safe模式通常是更好的选择，因为它提供了稳定的性能和可接受的外观效果。对于科学模拟或高质量的离线渲染，CriticalAngle模式可能更合适，但需要额外的错误处理机制。

生成的代码示例

Refract节点在后台生成的代码展示了其内部实现逻辑。以下代码示例展示了两种模式下可能的实现方式：

// CriticalAngle模式的实现
void Unity_RefractCriticalAngle(float3 Incident, float3 Normal, float IORInput, float IORMedium, out float Out)
{
    $precision internalIORInput = max(IORInput, 1.0);
    $precision internalIORMedium = max(IORMedium, 1.0);
    $precision eta = internalIORInput/internalIORMedium;
    $precision cos0 = dot(Incident, Normal);
    $precision k = 1.0 - eta*eta*(1.0 - cos0*cos0);
    Refracted = k >= 0.0 ? eta*Incident - (eta*cos0 + sqrt(k))*Normal : reflect(Incident, Normal);
    Intensity = internalIORSource <= internalIORMedium ?
        saturate(F_Transm_Schlick(IorToFresnel0(internalIORMedium, internalIORSource), -cos0)) :
        (k >= 0.0 ? saturate(F_FresnelDielectric(internalIORMedium/internalIORSource, -cos0)) : 0.0);
}

// Safe模式的实现
void Unity_RefractSafe(float3 Incident, float3 Normal, float IORInput, float IORMedium, out float Out)
{
    $precision internalIORInput = max(IORInput, 1.0);
    $precision internalIORMedium = max(IORMedium, 1.0);
    $precision eta = internalIORInput/internalIORMedium;
    $precision cos0 = dot(Incident, Normal);
    $precision k = 1.0 - eta*eta*(1.0 - cos0*cos0);
    Refracted = eta*Incident - (eta*cos0 + sqrt(max(k, 0.0)))*Normal;
    Intensity = internalIORSource <= internalIORMedium ?
        saturate(F_Transm_Schlick(IorToFresnel0(internalIORMedium, internalIORSource), -cos0)) :
        (k >= 0.0 ? saturate(F_FresnelDielectric(internalIORMedium/internalIORSource, -cos0)) : 1.0);
}

代码解析

在CriticalAngle模式的实现中，代码首先确保折射率不小于1.0，然后计算两种介质的折射率比值（eta）。接着计算入射角余弦值（cos0）和判别式k，这个判别式决定了是否会发生全内反射。

当k >= 0时，表示折射是可能的，代码会计算标准的折射向量；当k < 0时，表示发生全内反射，代码会调用reflect函数计算反射向量。

折射强度的计算考虑了菲涅尔效应，使用Schlick近似或精确的菲涅尔公式，具体取决于折射率的相对大小。

在Safe模式的实现中，主要的区别在于对k值的处理。通过使用max(k, 0.0)确保平方根参数不会为负，从而避免了NaN结果。在强度计算中，当k < 0时返回固定值1.0，而不是0.0，这有助于创建更平滑的视觉效果。

实际应用考虑

在实际使用Refract节点时，有几个重要的考虑因素：

• 向量标准化：确保输入的Incident和Normal向量都是单位长度的，否则会导致不准确的折射效果。
• 折射率选择：选择合适的折射率值对实现逼真的效果至关重要。可以参考真实材料的折射率值，如水1.33、玻璃1.5-1.9、钻石2.42等。
• 性能优化：折射计算相对复杂，特别是在移动设备上使用时，应注意性能影响。可以考虑使用简化模型或仅在必要时启用折射效果。
• 与其他效果的结合：折射效果通常需要与反射、透明度和光照计算结合使用，才能创建出完整的材质外观。

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