UnityShader实例15:屏幕特效之Bloom
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。
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：
struct v2f_withMaxCoords {
half4 pos : SV_POSITION;
half2 uv2[5] : TEXCOORD0;
};
//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
v2f_withMaxCoords vertMax (appdata_img v)
{
v2f_withMaxCoords o;
o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.uv2[0] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(1.5,1.5);
o.uv2[1] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-1.5,1.5);
o.uv2[2] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-1.5,-1.5);
o.uv2[3] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(1.5,-1.5);
o.uv2[4] = v.texcoord ;
return o;
}
//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。
fixed4 fragMax ( v2f_withMaxCoords i ) : COLOR
{
fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv2[4]);
color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[0]));
color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[1]));
color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[2]));
color = max(color, tex2D (_MainTex, i.uv2[3]));
return saturate(color - ONE_MINUS_INTENSITY);
}
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：
struct v2f_withBlurCoordsSGX
{
float4 pos : SV_POSITION;
half2 offs[7] : TEXCOORD0;
};
//水平方向的像素偏移，用来做水平模糊
v2f_withBlurCoordsSGX vertBlurHorizontalSGX (appdata_img v)
{
v2f_withBlurCoordsSGX o;
o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
half2 netFilterWidth = _MainTex_TexelSize.xy * half2(1.0, 0.0) * _Parameter.x;
o.offs[0] = v.texcoord + netFilterWidth;
o.offs[1] = v.texcoord + netFilterWidth*2.0;
o.offs[2] = v.texcoord + netFilterWidth*3.0;
o.offs[3] = v.texcoord - netFilterWidth;
o.offs[4] = v.texcoord - netFilterWidth*2.0;
o.offs[5] = v.texcoord - netFilterWidth*3.0;
o.offs[6] = v.texcoord;
return o;
}
//垂直方向的像素偏移，用来做水平模糊
v2f_withBlurCoordsSGX vertBlurVerticalSGX (appdata_img v)
{
v2f_withBlurCoordsSGX o;
o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
half2 netFilterWidth = _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, 1.0) * _Parameter.x;
o.offs[0] = v.texcoord + netFilterWidth;
o.offs[1] = v.texcoord + netFilterWidth*2.0;
o.offs[2] = v.texcoord + netFilterWidth*3.0;
o.offs[3] = v.texcoord - netFilterWidth;
o.offs[4] = v.texcoord - netFilterWidth*2.0;
o.offs[5] = v.texcoord - netFilterWidth*3.0;
o.offs[6] = v.texcoord;
return o;
}
//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。
fixed4 fragBlurSGX ( v2f_withBlurCoordsSGX i ) : COLOR
{
fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.offs[6]) * curve[3];
color += tex2D(_MainTex, i.offs[0])*curve[2];
color += tex2D(_MainTex, i.offs[1])*curve[1];
color += tex2D(_MainTex, i.offs[2])*curve[0];
color += tex2D(_MainTex, i.offs[3])*curve[2];
color += tex2D(_MainTex, i.offs[4])*curve[1];
color += tex2D(_MainTex, i.offs[5])*curve[0];
return color;
}
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。
struct v2f_simple {
half4 pos : SV_POSITION;
half4 uv : TEXCOORD0;
};
//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。
v2f_simple vertBloom (appdata_img v)
{
v2f_simple o;
o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.uv = v.texcoord.xyxy;
#if SHADER_API_D3D9
if (_MainTex_TexelSize.y < 0.0)
o.uv.w = 1.0 - o.uv.w;
#endif
return o;
}
fixed4 fragBloom ( v2f_simple i ) : COLOR
{
fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
color += tex2D(_Bloom, i.uv.zw)*_Parameter.z*_ColorMix;
return color;
} 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。
void OnRenderImage (RenderTexture sourceTexture, RenderTexture destTexture)
{
#if UNITY_EDITOR
FindShaders ();
CheckSupport ();
CreateMaterials ();
#endif
if(threshold != 0 && intensity != 0){
int rtW = sourceTexture.width/4;
int rtH = sourceTexture.height/4;
BloomMaterial.SetColor ("_ColorMix", colorMix);
BloomMaterial.SetVector ("_Parameter", new Vector4(BlurSize*1.5f, 0.0f, intensity,0.8f - threshold));
// material.SetFloat("_blurSize",BlurSize);
RenderTexture rtTempA = RenderTexture.GetTemporary (rtW, rtH, 0,rtFormat);
rtTempA.filterMode = FilterMode.Bilinear;
RenderTexture rtTempB = RenderTexture.GetTemporary (rtW, rtH, 0,rtFormat);
rtTempA.filterMode = FilterMode.Bilinear;
Graphics.Blit (sourceTexture, rtTempA,BloomMaterial,0);
Graphics.Blit (rtTempA, rtTempB, BloomMaterial,1);
RenderTexture.ReleaseTemporary(rtTempA);
rtTempA = RenderTexture.GetTemporary (rtW, rtH, 0, rtFormat);
rtTempB.filterMode = FilterMode.Bilinear;
Graphics.Blit (rtTempB, rtTempA, BloomMaterial,2);
BloomMaterial.SetTexture ("_Bloom", rtTempA);
Graphics.Blit (sourceTexture, destTexture, BloomMaterial,3);
RenderTexture.ReleaseTemporary(rtTempA);
RenderTexture.ReleaseTemporary(rtTempB);
}
else{
Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture);
}
}
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。
下载链接：
屏幕特效之Bloom