只需三步，实时多边形折射

原文在 https://tympanus.net/codrops/2019/10/29/real-time-multiside-refraction-in-three-steps/
作者是 杰斯珀·沃斯（Jesper Vos）

在本教程中，您将学习如何使用Three.js在三个步骤中使对象看起来像玻璃。

渲染3D对象时，无论使用某种3D软件还是使用WebGL进行实时显示，始终都必须为其分配材料以使其可见并具有所需的外观。

可以使用Three.js之类的库中的现成程序来模仿许多类型的材料，但是在本教程中，我将向您展示如何使用三个对象（三个步骤）使对象看起来像玻璃一样。

步骤1：设定和正面折射

在本演示中，我将使用菱形几何图形，但是您可以跟随一个简单的盒子或任何其他几何图形。

让我们建立我们的项目。我们需要一个渲染器，一个场景，一个透视相机和我们的几何图形。为了渲染我们的几何图形，我们需要为其分配材质。创建此材料将是本教程的主要重点。因此，继续创建具有基本顶点和片段着色器的新ShaderMaterial。

与您期望的相反，我们的材料将不是透明的，实际上，我们将对钻石后面的任何东西进行采样和变形。为此，我们需要将场景（没有菱形）渲染为纹理。我只是使用正交摄影机渲染全屏平面，但这也可能是充满其他对象的场景。在Three.js中从菱形分割背景几何图形的最简单方法是使用“图层”。

this.orthoCamera = new THREE.OrthographicCamera( width / - 2,width / 2, height / 2, height / - 2, 1, 1000 );
// assign the camera to layer 1 (layer 0 is default)
this.orthoCamera.layers.set(1);

const tex = await loadTexture('texture.jpg');
this.quad = new THREE.Mesh(new THREE.PlaneBufferGeometry(), new THREE.MeshBasicMaterial({map: tex}));

this.quad.scale.set(width, height, 1);
// also move the plane to layer 1
this.quad.layers.set(1);
this.scene.add(this.quad);

我们的渲染循环如下所示：

this.envFBO = new THREE.WebGLRenderTarget(width, height);

this.renderer.autoClear = false;

render() {
    requestAnimationFrame( this.render );

    this.renderer.clear();

    // render background to fbo
    this.renderer.setRenderTarget(this.envFbo);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );

    // render background to screen
    this.renderer.setRenderTarget(null);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );
    this.renderer.clearDepth();

    // render geometry to screen
    this.renderer.render( this.scene, this.camera );
};

好吧，现在该花一点点理论了。透明材料（如玻璃）可以弯曲，因此可见。那是因为光在玻璃中的传播要比空气中的传播慢，因此当光波以一定角度撞击玻璃物体时，这种速度变化会导致光波改变方向。波浪方向的这种变化描述了折射现象。

为了在代码中复制这一点，我们将需要知道我们的眼睛向量与世界空间中钻石表面（法线）向量之间的角度。让我们更新顶点着色器以计算这些向量。

varying vec3 eyeVector;
varying vec3 worldNormal;

void main() {
    vec4 worldPosition = modelMatrix * vec4( position, 1.0);
    eyeVector = normalize(worldPos.xyz - cameraPosition);
    worldNormal = normalize( modelViewMatrix * vec4(normal, 0.0)).xyz;
    gl_Position = projectionMatrix * modelViewMatrix * vec4(position, 1.0);
}

在片段着色器中，我们现在可以将eyeVector和worldNormal用作glsl内置折射函数的前两个参数。第三个参数是折射率的比率，即我们的快速介质（空气）的折射率（IOR）除以我们的慢速介质（玻璃）的IOR。在这种情况下，该值为1.0 / 1.5，但是您可以调整该值以获得所需的结果。例如，水的IOR为1.33，钻石的IOR为2.42。

uniform sampler2D envMap;
uniform vec2 resolution;

varying vec3 worldNormal;
varying vec3 viewDirection;

void main() {
    // get screen coordinates
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / resolution;

    vec3 normal = worldNormal;
    // calculate refraction and add to the screen coordinates
    vec3 refracted = refract(eyeVector, normal, 1.0/ior);
    uv += refracted.xy;
    
    // sample the background texture
    vec4 tex = texture2D(envMap, uv);

    vec4 output = tex;
    gl_FragColor = vec4(output.rgb, 1.0);
}

真好！我们成功编写了折射着色器。但是我们的钻石几乎看不见……部分原因是我们只处理了玻璃的一种视觉特性。并非所有的光都会穿过要折射的材料，实际上，一部分光会被反射。让我们看看如何实现它！

步骤2：反射和菲涅耳方程

为了简单起见，在本教程中，我们将不计算适当的反射，而仅将白色用作反射光。现在，我们怎么知道什么时候该反思，什么时候该折射？理论上，这取决于材料的折射率，当入射矢量和表面法线之间的角度大于临界角时，光波将被反射。

在片段着色器中，我们将使用菲涅耳方程来计算反射光线与折射光线之间的比率。不幸的是，glsl也没有内置此方程式，但是您可以从这里复制它：

float Fresnel(vec3 eyeVector, vec3 worldNormal) {
    return pow( 1.0 + dot( eyeVector, worldNormal), 3.0 );
}

现在，我们可以根据刚计算出的菲涅耳比，简单地将折射纹理颜色与白色反射颜色混合。

uniform sampler2D envMap;
uniform vec2 resolution;

varying vec3 worldNormal;
varying vec3 viewDirection;

float Fresnel(vec3 eyeVector, vec3 worldNormal) {
    return pow( 1.0 + dot( eyeVector, worldNormal), 3.0 );
}

void main() {
    // get screen coordinates
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / resolution;

    vec3 normal = worldNormal;
    // calculate refraction and add to the screen coordinates
    vec3 refracted = refract(eyeVector, normal, 1.0/ior);
    uv += refracted.xy;

    // sample the background texture
    vec4 tex = texture2D(envMap, uv);

    vec4 output = tex;

    // calculate the Fresnel ratio
    float f = Fresnel(eyeVector, normal);

    // mix the refraction color and reflection color
    output.rgb = mix(output.rgb, vec3(1.0), f);

    gl_FragColor = vec4(output.rgb, 1.0);
}

看起来已经好多了，但是还有一些不足之处……嗯，我们看不到透明对象的另一面。让我们解决这个问题！

步骤3：多边折射

到目前为止，我们已经了解了有关反射和折射的知识，我们可以理解，光在离开对象之前可以在对象内部来回反弹几次。

为了获得物理上正确的结果，我们将必须跟踪每条光线，但是不幸的是，这种计算量太大，无法实时渲染。因此，我将向您展示一个简单的近似值，至少可以直观地看到我们钻石的背面。

在一个片段着色器中，我们需要几何图形的正面和背面的世界法线。由于我们不能同时渲染两侧，因此需要首先将背面法线渲染为纹理。

让我们像在步骤1中一样制作一个新的ShaderMaterial，但是这次我们将世界法线渲染为gl_FragColor。

varying vec3 worldNormal;

void main() {
    gl_FragColor = vec4(worldNormal, 1.0);
}

接下来，我们将更新渲染循环以包括背面通道。

this.backfaceFbo = new THREE.WebGLRenderTarget(width, height);

...

render() {
    requestAnimationFrame( this.render );

    this.renderer.clear();

    // render background to fbo
    this.renderer.setRenderTarget(this.envFbo);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );

    // render diamond back faces to fbo
    this.mesh.material = this.backfaceMaterial;
    this.renderer.setRenderTarget(this.backfaceFbo);
    this.renderer.clearDepth();
    this.renderer.render( this.scene, this.camera );

    // render background to screen
    this.renderer.setRenderTarget(null);
    this.renderer.render( this.scene, this.orthoCamera );
    this.renderer.clearDepth();

    // render diamond with refraction material to screen
    this.mesh.material = this.refractionMaterial;
    this.renderer.render( this.scene, this.camera );
};

现在，我们在折射材料中采样背面法线纹理。

vec3 backfaceNormal = texture2D(backfaceMap, uv).rgb;

最后，我们结合了正面和背面法线。

float a = 0.33;
vec3 normal = worldNormal * (1.0 - a) - backfaceNormal * a;

在此等式中，a只是一个标量值，指示应应用背面法线的数量。

我们做到了！我们可以看到钻石的所有侧面，仅是因为我们对钻石的材质进行了折射和反射。

局限性

正如我已经解释的那样，用这种方法实时渲染物理上正确的透明材料是不可能的。当在彼此前面渲染多个玻璃对象时会发生另一个问题。由于我们仅对环境采样一次，因此无法看透一连串的对象。最后，我在这里演示的屏幕空间折射在画布的边缘附近效果不佳，因为光线可能会折射到其边界之外的值，并且在将背景场景渲染到渲染目标时我们没有捕获到该数据。

当然，有多种方法可以克服这些限制，但是对于您在WebGL中进行实时渲染，它们可能并不是全部很好的解决方案。

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