基于高度进行混合的shader

贴图混合（Texture Blend）是非常常见的着色器需求，在很多实时游戏中都需要它来实现复杂的地面纹理，参考了Advanced Terrain Texture Splatting这篇文章写了一个基于高度进行混合的shader，这里分享一下自己的理解，效果如下：

说到贴图混合，也许你已经听说过Texture Splatting技术了，这个术语是Charles Bloom创造的，他在http://www.cbloom.com/3d/techdocs/splatting.txt里对这个技术进行了阐述；
这是Texture splatting的wiki：
https://en.wikipedia.org/wiki/Texture_splatting

Texture splatting混合的做法就是，把贴图颜色和不透明度相乘，然后把结果相加

核心代码如下

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
    fixed4 splat_control = tex2D (_Control, IN.uv_Control).rgba;    
    fixed3 lay1 = tex2D (_Splat0, IN.uv_Splat0);
    fixed3 lay2 = tex2D (_Splat1, IN.uv_Splat1);
    fixed3 lay3 = tex2D (_Splat2, IN.uv_Splat2);
    fixed3 lay4 = tex2D (_Splat3, IN.uv_Control * _Tiling3.xy);
    o.Alpha = 0.0;
    o.Albedo.rgb = (lay1 * splat_control.r + lay2 * splat_control.g + lay3 * splat_control.b+ lay4 * splat_control.a);

}

这端代码很好理解，通过splat_control这张贴图的四个通道控制_Splat0~_Splat3这四张贴图的混合，如果splat_control对应通道的值为1，那么这个通道对应的贴图就完全显示，为0则完全不显示，通过修改splat_control贴图就可以实现想要的混合效果了；

这种技术在Unity3D的标准地形编辑器中有使用。如你所见，过渡很平滑，但不太自然。石头看起来就好像被沙子污染了，但在现实世界中这是不可能发生的情况。沙子不会粘着石头，相反地，沙子会落下来，填补到石头之间的缝隙里，而石头表面仍是干净的。

我们希望沙子会更多的在缝隙里面出现，而石头越高的地方沙子应该要越少，那么我们需要知道每一张贴图的深度信息，这里我把贴图对应的高度图保存在每张贴图的alpha通道。通过对比每张贴图的高度差，就可以知道应该显示哪张贴图了，为了简化，我们先计算两张贴图混合的情况，代码如下：

float3 blend(float3 lay1, float3 lay2)
{
     return lay1.a > lay2.a ? lay1.rgb : lay2.rgb;
}

得到的是这样的效果

其中用于混合的两张贴图和他们的透明通道分别是这样的：

我们加上splat_control 贴图的影响试试

float3 blend(float3 lay1, float3 lay2, float4 splat_control)
{
     return lay1.a * splat_control > lay2.a *splat_control ? lay1.rgb : lay2.rgb;
}

得到这样的效果：

相比原来的线性混合，现在看起来已经自然很多了，沙子落在石砖路的缝隙里，并慢慢减少；但因为目前只是单纯的判断显示那个贴图，所以边缘看起来太硬了，人工痕迹比较明显。

为了改进效果，我们需要给边缘增加一点过渡。

float3 blend(float3 lay1, float3 lay2, float4 splat_control)
{
        float b1 = lay1.a * splat_control.r;
        float b2 = lay2.a * splat_control.g;
        float ma = max(b1,b2);
        b1 = max(b1 - ma + 0.3 , 0) * splat_control.r;
        b2 = max(b2 - ma + 0.3 , 0) * splat_control.g;

        return (lay1.rgb * b1 + lay2.rgb * b2)/(b1 + b2);
}

解释一下这段代码，先对比两张贴图的高度，高度差在0.3以内的都会被保留下来，为了防止在边缘以外的地方也被保留下来了，所以后面再乘一次splat_control，最后做一个标准化处理，把他们按比例缩放到0-1这个区间。
于是，我们就得到了下面的这个效果

看起来非常自然，沙子慢慢过渡到石砖路，砖面上的沙子比较少，缝隙里的沙子更多

我们把这个算法拓展到4张贴图，并通过一个值来控制混合的权重，完整代码如下：

Shader "mya/terrainTextrueBlend" {
    Properties {
        _Splat0 ("Layer 1(RGBA)", 2D) = "white" {}
        _Splat1 ("Layer 2(RGBA)", 2D) = "white" {}
        _Splat2 ("Layer 3(RGBA)", 2D) = "white" {}
        _Splat3 ("Layer 4(RGBA)", 2D) = "white" {}
        _Control ("Control (RGBA)", 2D) = "white" {}
        _Weight("Blend Weight" , Range(0.001,1)) = 0.2

    }

    SubShader {
        Tags 
        {
            "RenderType"="Opaque"
            "Queue"="Geometry"
        }
    CGPROGRAM
    #pragma surface surf BlinnPhong
    #pragma target 3.0

    struct Input 
    {
        float2 uv_Control : TEXCOORD0;
        float2 uv_Splat0 : TEXCOORD1;
        float2 uv_Splat1 : TEXCOORD2;
        float2 uv_Splat2 : TEXCOORD3;
        float2 uv_Splat3 : TEXCOORD4;
    };

    sampler2D _Control;
    sampler2D _Splat0,_Splat1,_Splat2,_Splat3;

    float4 _Tiling3;
    float _Weight;

    inline half4 Blend(half high1 ,half high2,half high3,half high4 , half4 control) 
    {
        half4 blend ;

        blend.r =high1 * control.r;
        blend.g =high2 * control.g;
        blend.b =high3 * control.b;
        blend.a =high4 * control.a;

        half ma = max(blend.r, max(blend.g, max(blend.b, blend.a)));
        blend = max(blend - ma +_Weight , 0) * control;
        return blend/(blend.r + blend.g + blend.b + blend.a);
    }

    void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
        half4 splat_control = tex2D (_Control, IN.uv_Control).rgba;

        half4 lay1 = tex2D (_Splat0, IN.uv_Splat0);
        half4 lay2 = tex2D (_Splat1, IN.uv_Splat1);
        half4 lay3 = tex2D (_Splat2, IN.uv_Splat2);
        half4 lay4 = tex2D (_Splat3, IN.uv_Splat3);


        //纯色测试代码
        //lay1.rgb = fixed3(1,0,0);
        //lay2.rgb = fixed3(0,1,0);
        //lay3.rgb = fixed3(0,0,1);
        //lay4.rgb = fixed3(0,0,0);

        half4 blend = Blend(lay1.a,lay2.a,lay3.a,lay4.a,splat_control);
        o.Alpha = 0.0;
        o.Albedo.rgb = blend.r * lay1 + blend.g * lay2 + blend.b * lay3 + blend.a * lay4;//混合


    }
    ENDCG 
    }
    FallBack "Specular"
}

最终效果：

左边混合权重为0.2，右边为1，混合权重为1的时候其实就是普通的线性混合了。

加上法线和高光的效果

这是文中所用的贴图：
http://pan.baidu.com/s/1i4W953n