Unity反射式红点瞄准镜Shader原理分析

项目上要实现 Unity 真实瞄准镜的功能，其中之一就是反射式红点瞄准镜。本文分析的 Shader 以模拟反射式瞄准镜光学原理的方式实现了较为真实的效果。

效果图

该图展示了从不同角度观看红点瞄准镜的效果。

unity真实全息红点瞄准镜

红点瞄准镜原理

反射式红点瞄准镜的特殊之处在于不管眼睛和照门等是否三点一线，只要看到红点套在目标上，就代表已瞄准目标。

首先上一张灵魂插图：

上图表示了反射式红点瞄准镜最简单的组成部分，即光源+凹面镜，原理如下：

凹面镜为透明镜子，前方景物的反射光可以穿透。同时凹面镜有特殊镀膜，使得光源的光可以反射回去。
光源位于凹面镜的焦点，根据物理原理，其光线经过凹面镜反射后为平行光。
人眼接收到某些平行光时，可以脑补出无穷远处有一个红点。
由于光源的光线反射后为平行光，因此从侧面看，红点会发生偏移，当角度过大时，红点就完全看不到了。

反射式红点瞄准镜 Shader

代码

该 Shader 核心代码只有七行，其中最关键代码为前四行：

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
    float shortestDistanceToSurface = dot (_WorldSpaceCameraPos - IN.worldPos,IN.worldNormal);
    float3 closestPoint = _WorldSpaceCameraPos - (shortestDistanceToSurface * IN.worldNormal);
    float2 uv_Delta = (mul((float3x3)unity_WorldToObject,IN.worldPos) - mul((float3x3)unity_WorldToObject,closestPoint)).xy * _uvScale;
    half4 col = tex2D(_reticleTex,(0.5f, 0.5f) + uv_Delta/shortestDistanceToSurface);
    o.Emission = (col.a * _reticleColour.rgb * _reticleBright);
    o.Albedo = max(col.a * _reticleColour.rgb, _glassTrans * _glassColour.rgb);
    o.Alpha = max(col.a, _glassTrans);
}

解析

找到离平面最近距离及交点
首先找到摄像机到镜片表面的最近距离，用点乘计算，得shortestDistanceToSurface。计算摄像机到镜片平面最短路径的接触点，得closestPoint（不考虑 z 轴）。
计算红点贴图采样偏移
根据上文瞄准镜原理可知，在物理世界中，反射的红点光线均为平行光，因此若最短路径接触点在镜片区域中，则该点一定是红点图案的中心。
在本地坐标下，计算closestPoint与本顶点位置的偏移值，该值只取 x 和 y，该数值的意义是：当前顶点相对于红点纹理中心的偏移量。
将偏移量乘上一个用于调节红点图案缩放的可调变量_uvScale，之后使用 tex2D 采样，其中 (0.5f,0.5f) 为红点纹理的中心，加上偏移量，即为该顶点的纹理采样。
这里使用 uv_Delta/shortestDistanceToSurface的目的是使得图案在正常范围内尽量不随距离改变而改变。也就是说，希望不管距离镜片多远，虚拟红点大小都一致，没有近大远小的透视效果。
当然该除法并不严谨，因为物体所占的视场角大小不仅和距离摄像机距离有关，还和物体与摄像机中心的偏移量、摄像机视场角有关。但是该除法在实际使用场景用已经足够了，在可视范围内图案大小变化不是特别明显。
设置顶点参数
之后，将采样得到的颜色按需做些特殊处理，最后设置顶点的颜色等参数。