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  • UnityShader实例15:屏幕特效之Bloom

    http://blog.csdn.net/u011047171/article/details/48522073

     

    Bloom特效

     
     
     

    概述

           Bloom,又称“全屏泛光”，是游戏中常用的一种镜头效果，是一种比较廉价的“伪HDR”效果（如下右图）；使用了Bloom效果后，画面的对比会得到增强，亮的地方曝光也会得到加强，画面也会呈现一种朦胧，梦幻的效果，婚纱摄影中照片处理经常用到这种类似处理效果。Bloom效果一般用来近似模拟HDR效果，效果也比较相向，但实现原理却完全不同。本例将实现一个适合移动平台使用的bloom屏幕特效。
     
     
     
     

    Bloom特效与HDR特效的异同

     
           要比较两者的异同，得先搞清楚HDR特效是什么；HDR，本身是High-Dynamic Range（高动态范围）的缩写，这本来是一个CG概念。HDR的含义，简单说，就是超越普通的光照的颜色和强度的光照。计算机在表示图象的时候是用8bit(256)级或16bit(65536)级来区分图象的亮度的，但这区区几百或几万无法再现真实自然的光照情况。因此普通情况下，无法同时显示亮部和暗部的所有细节。
           现实中，当人由黑暗地方走到光亮地方，眼睛会自动眯起来。人在黑暗的地方，为了看清楚对象，瞳孔会很大张开，以吸收更多光线。当突然走到光亮地方，瞳孔来不及收缩，所以唯有眯上眼睛，保护视网膜上的视神经。而电脑是死物，唯有靠HDR技术模拟这效果——人眼自动适应光线变化的能力。方法是快速将光线渲染得非常光亮，然后将亮度逐渐降低。而HDR的最终效果是亮处的效果是鲜亮，而黑暗处的效果是能分辨物体的轮廓和深度，而不是以往的一团黑。。
           想要实现HDR特效，首先，游戏开发者要在游戏开发过程中，利用开发工具（就是游戏引擎）将实际场景用HDRI记录下来，当然开发技术强的开发组会直接用小开发工具（比如3D MAX的某些特效插件）创造HDRI图像；其次，我们的显卡必须支持显示HDR特效，nVIDIA的显卡必须是GeForce 6系列或更高，ATI显卡至少是Radeon 9550或以上。
           那么HDR与bloom效果的差别到底在什么地方呢？
    　　第一，HDR效果就是超亮的光照与超暗的黑暗的某种结合，这个效果是光照产生的，强度、颜色等方面是游戏程序可动态控制的，是一种即时动态光影；bloom效果则是物体本身发出的光照，仅仅是将光照范围调高到过饱和，是游戏程序无法动态控制的，是一种全屏泛光。
    　　第二，bloom效果无需HDR就可以实现，但是bloom效果是很受限的，它只支持8位RGBA，而HDR最高支持到32位RGBA。
    　　第三，bloom效果的实现很简单，比如《半条命2》的MOD就是一个很小的很简单的MOD，而且bloom效果不受显卡的规格的限制，你甚至可以在TNT显卡上实现bloom效果（当然效果很差）！而HDR，必须是6XXX以上的显卡才能够实现，这里的HDR是指nVIDIA的HDR。这时有必要谈nVIDIA和ATI的显卡所实现的HDR，两者还是有区别的，具体区别就很专业了，总之从真实性表现来看，nVIDIA的显卡实现的HDR更好一些。HDR是nVIDIA提出的概念，从技术上来讲，ATI当然无法严格克隆nVIDIA的技术，所以ATI的HDR是另一种途径实现的尽可能接近的HDR，不能算“真”HDR，据传ATI的R520能够真正实现FP16 HDR。
    未使用HDR图像                                                        使用HDR图像
     
     

    Bloom特效的实现流程

     
         Bloom效果实现的流程与HDR的物理还原不同，它只是一种简单的近似模拟：
    • 第一步： 先获取屏幕图像，然后对每个像素进行亮度检测，若大于某个阀值即保留原始颜色值，否则置为黑色；
    • 第二步：对上一步获取的图像，做一个模糊，通常使用高斯模糊。
    • 第三步：将模糊后的图片和原图片做一个加权和。
         通过这三步就可以达到一个全屏泛光的效果。
     
     
     

    Bloom特效的shader实现

           本例在shader中实现大致和上面所述流程类似，只是在第一步做了少许改动，在这里我们将亮部的像素进行了扩展，关键代码如下：
    [csharp] view plain copy
     
     print?
    1.         struct v2f_withMaxCoords {  
    2.             half4 pos : SV_POSITION;  
    3.             half2 uv2[5] : TEXCOORD0;  
    4.         };  
    5.   
    6.   
    7. //在vert函数里对uv坐标做了四次偏移，对原像素周围临近的像素采样  
    8.         v2f_withMaxCoords vertMax (appdata_img v)  
    9.         {  
    10.             v2f_withMaxCoords o;  
    11.             o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);  
    12.             o.uv2[0] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(1.5,1.5);                   
    13.             o.uv2[1] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-1.5,1.5);  
    14.             o.uv2[2] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-1.5,-1.5);  
    15.             o.uv2[3] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(1.5,-1.5);  
    16.             o.uv2[4] = v.texcoord ;  
    17.             return o;   
    18.         }     
    19. //Frag函数用偏移的uv坐标采样，并且与原像素进行对比，如果亮度比原像素大，则取代原像素，因此亮部像素得到了扩展处理。这里ONE_MINUS_INTENSITY是由脚本传递过来的参数，用来控制bloom范围，功能就是讲低于这个值的像素设置为黑色。  
    20.         fixed4 fragMax ( v2f_withMaxCoords i ) : COLOR  
    21.         {                 
    22.             fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv2[4]);  
    23.             color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[0]));   
    24.             color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[1]));   
    25.             color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[2]));   
    26.             color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[3]));   
    27.             return saturate(color - ONE_MINUS_INTENSITY);  
    28.         }   
     
         流程的第二步就是讲上一步的结果做模糊处理，在这里我们使用的上一个例子所使用的高斯模糊，因此不多做解释，关键代码如下面所示：
     
    [csharp] view plain copy
     
     print?
    1.         struct v2f_withBlurCoordsSGX   
    2.         {  
    3.             float4 pos : SV_POSITION;  
    4.             half2 offs[7] : TEXCOORD0;  
    5.         };  
    6.   
    7. //水平方向的像素偏移，用来做水平模糊  
    8.         v2f_withBlurCoordsSGX vertBlurHorizontalSGX (appdata_img v)  
    9.         {  
    10.             v2f_withBlurCoordsSGX o;  
    11.             o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);  
    12.             half2 netFilterWidth = _MainTex_TexelSize.xy * half2(1.0, 0.0) * _Parameter.x;   
    13.   
    14.             o.offs[0] = v.texcoord + netFilterWidth;  
    15.             o.offs[1] = v.texcoord + netFilterWidth*2.0;  
    16.             o.offs[2] = v.texcoord + netFilterWidth*3.0;  
    17.             o.offs[3] = v.texcoord - netFilterWidth;  
    18.             o.offs[4] = v.texcoord - netFilterWidth*2.0;  
    19.             o.offs[5] = v.texcoord - netFilterWidth*3.0;  
    20.             o.offs[6] = v.texcoord;  
    21.   
    22.             return o;   
    23.         }         
    24. //垂直方向的像素偏移，用来做水平模糊  
    25.           
    26.         v2f_withBlurCoordsSGX vertBlurVerticalSGX (appdata_img v)  
    27.         {  
    28.             v2f_withBlurCoordsSGX o;  
    29.             o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);     
    30.             half2 netFilterWidth = _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, 1.0) * _Parameter.x;  
    31.               
    32.             o.offs[0] = v.texcoord + netFilterWidth;  
    33.             o.offs[1] = v.texcoord + netFilterWidth*2.0;  
    34.             o.offs[2] = v.texcoord + netFilterWidth*3.0;  
    35.             o.offs[3] = v.texcoord - netFilterWidth;  
    36.             o.offs[4] = v.texcoord - netFilterWidth*2.0;  
    37.             o.offs[5] = v.texcoord - netFilterWidth*3.0;  
    38.             o.offs[6] = v.texcoord;  
    39.   
    40.             return o;   
    41.         }     
    42. //用vert传过来的uv坐标数组进行采样，并乘以对应的权重进行叠加，其结果是个近似高斯模糊。  
    43.         fixed4 fragBlurSGX ( v2f_withBlurCoordsSGX i ) : COLOR  
    44.         {  
    45.               
    46.             fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.offs[6]) * curve[3];  
    47.             color += tex2D(_MainTex, i.offs[0])*curve[2];  
    48.             color += tex2D(_MainTex, i.offs[1])*curve[1];  
    49.             color += tex2D(_MainTex, i.offs[2])*curve[0];  
    50.             color += tex2D(_MainTex, i.offs[3])*curve[2];  
    51.             color += tex2D(_MainTex, i.offs[4])*curve[1];  
    52.             color += tex2D(_MainTex, i.offs[5])*curve[0];  
    53.   
    54.             return color;  
    55.   
    56.         }     
    57.           
     
            流程的最后一步就非常简单了，将上一步获取的结果与原图进行权重求和即可，就能得到一个bloom效果。在这里我们添加了从C#脚本传递过来的权重参数_Parameter.z和颜色参数_ColorMix，用来控制bloom的强度以及颜色倾向。
     
    [csharp] view plain copy
     
     print?
    1.         struct v2f_simple {  
    2.             half4 pos : SV_POSITION;  
    3.             half4 uv : TEXCOORD0;  
    4.         };  
    5. //考虑到D3D9的uv坐标Y轴是反转的，因此需要做个判断进行调整，防止图像倒转。  
    6.         v2f_simple vertBloom (appdata_img v)  
    7.         {  
    8.             v2f_simple o;  
    9.             o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);  
    10.             o.uv = v.texcoord.xyxy;           
    11.              #if SHADER_API_D3D9  
    12.                 if (_MainTex_TexelSize.y < 0.0)  
    13.                     o.uv.w = 1.0 - o.uv.w;  
    14.             #endif  
    15.             return o;   
    16.         }  
    17.   
    18.   
    19.         fixed4 fragBloom ( v2f_simple i ) : COLOR  
    20.         {     
    21.             fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);  
    22.             color += tex2D(_Bloom, i.uv.zw)*_Parameter.z*_ColorMix;  
    23.             return color;  
    24.         }     
            本例Bloom特效的shader部分关键代码就是这么多，这里就不贴出完整代码了，有需要的同学可以到文章末尾点积链接下载，在完整代码里，我们使用了CGINCLUDE和ENDCG模块化的方式组织代码，减少了一定代码量，并且是代码的可读性更好，方便C#脚本调用。

    C#脚本

            C#脚本相对而言比较简单，和前面的的屏幕特效脚本类似，需要对shader的不同pass分别调用，并且开放了四个参数以方便效果的调节：Color Mix控制bloom特效的颜色倾向，Threshold控制bloom效果的范围，Intensity控制bloom特效的强度，Blur Size控制模糊范围以及模糊的质量。关键代码如下；完整代码请到文末放出的链接下载。
     
    [csharp] view plain copy
     
     print?
    1. void OnRenderImage (RenderTexture sourceTexture, RenderTexture destTexture)  
    2. {     
    3.     #if UNITY_EDITOR  
    4.         FindShaders ();  
    5.         CheckSupport ();  
    6.         CreateMaterials ();   
    7.     #endif  
    8.   
    9.     if(threshold != 0 && intensity != 0){  
    10.   
    11.         int rtW = sourceTexture.width/4;  
    12.         int rtH = sourceTexture.height/4;  
    13.   
    14.         BloomMaterial.SetColor ("_ColorMix", colorMix);  
    15.         BloomMaterial.SetVector ("_Parameter", new Vector4(BlurSize*1.5f, 0.0f, intensity,0.8f - threshold));     
    16.         // material.SetFloat("_blurSize",BlurSize);  
    17.   
    18.         RenderTexture rtTempA = RenderTexture.GetTemporary (rtW, rtH, 0,rtFormat);  
    19.            rtTempA.filterMode = FilterMode.Bilinear;  
    20.   
    21.            RenderTexture rtTempB = RenderTexture.GetTemporary (rtW, rtH, 0,rtFormat);  
    22.            rtTempA.filterMode = FilterMode.Bilinear;  
    23.   
    24.            Graphics.Blit (sourceTexture, rtTempA,BloomMaterial,0);  
    25.   
    26.   
    27.            Graphics.Blit (rtTempA, rtTempB, BloomMaterial,1);  
    28.            RenderTexture.ReleaseTemporary(rtTempA);  
    29.   
    30.   
    31.            rtTempA = RenderTexture.GetTemporary (rtW, rtH, 0, rtFormat);  
    32.            rtTempB.filterMode = FilterMode.Bilinear;  
    33.            Graphics.Blit (rtTempB, rtTempA, BloomMaterial,2);  
    34.   
    35.   
    36.            BloomMaterial.SetTexture ("_Bloom", rtTempA);  
    37.            Graphics.Blit (sourceTexture, destTexture, BloomMaterial,3);  
    38.         
    39.   
    40.            RenderTexture.ReleaseTemporary(rtTempA);  
    41.            RenderTexture.ReleaseTemporary(rtTempB);  
    42.     }  
    43.   
    44.     else{  
    45.         Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture);  
    46.           
    47.     }  
    48.       
    49.       
    50. }  

    本例实现的效果如图

     

    总结

            本例bloom效果是为移动平台开发，做了不少的优化，使之在移动平台上也有不错的效率，当然本例效果还有进一步的优化空间，比如将第一步的像素扩展去掉，可以节省掉4次多余的采样，第二步的高斯模糊同样也可以降阶，甚至也可以换成均值模糊，也能节省不少的计算。
     
     

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