Unity Shader - Bloom(光晕、泛光)

前言

Bloom（光晕）是一种计算机图形效果，用于视频游戏，演示和高动态范围渲染（HDRR）中，以再现真实相机的成像伪像。该效果会产生从图像中明亮区域的边界延伸的条纹（或羽毛），从而造成超亮的光使摄像机或眼睛捕捉场景的幻觉。

效果对比如下:

左边是原图, 右边Bloom处理后的

原理:

Bloom的实现原理非常简单，大致分为三步:

1. 对需要处理的图像经过亮度提取, 并且通过一个阙值来控制亮度
2. 对经过亮度提取后的图像进行模糊处理(这里是采用高斯模糊)
3. 最后再叠加原图和模糊处理后的图像,输出即可

实现

下面我们来逐步的通过代码实现一下。

既然是后期特效， 那么基本框架和之前的后期处理一样， 首先在Camera上挂载一个C#脚本来捕捉摄像机渲染后的图像。

一 C#实现

新建一个Bloom.cs
PostEffectsBase 基类可以在这里获取(来自《Unity Shader入门精要》)

using System.Collections;
using UnityEngine;
// ---------------------------【Bloom 全屏泛光后期】---------------------------
//编辑状态下也运行  
[ExecuteInEditMode]
public class Bloom : PostEffectsBase
{
    public Shader bloomShader;
    private Material mMaterial;
    //bloom处理的shader
    public Material material
    {
        get
        {
            mMaterial = CheckShaderAndCreateMaterial(bloomShader, mMaterial);
            return mMaterial;
        }
    }
    //迭代次数
    [Range(0, 4)]
    public int iterations = 3;

    //模糊扩散范围
    [Range(0.2f, 3.0f)]
    public float blurSpread = 0.6f;
    // 降频
    private int downSample = 1;

    // 亮度阙值
    [Range(-1.0f, 1.0f)]
    public float luminanceThreshold = 0.6f;
    // bloom 强度
    [Range(0.0f, 5.0f)]
    public float bloomFactor = 1;
    // bloom 颜色值
    public Color bloomColor = new Color(1, 1, 1, 1);

    void Awake()
    {
        bloomShader = Shader.Find("lcl/screenEffect/Bloom");
    }

    //-------------------------------------【OnRenderImage函数】------------------------------------    
    // 说明：此函数在当完成所有渲染图片后被调用，用来渲染图片后期效果
    //--------------------------------------------------------------------------------------------------------  
    private void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination)
    {
        if (material)
        {
            int rtW = source.width >> downSample;
            int rtH = source.height >> downSample;
            RenderTexture texture1 = RenderTexture.GetTemporary(rtW, rtH, 0);
            RenderTexture texture2 = RenderTexture.GetTemporary(rtW, rtH, 0);
            // 亮度提取 - 通道0
            material.SetFloat("_LuminanceThreshold", luminanceThreshold);
            Graphics.Blit(source, texture1, material, 0);

            // 高斯模糊 - 通道1
            for (int i = 0; i < iterations; i++)
            {
                //垂直高斯模糊
                material.SetVector("_offsets", new Vector4(0, 1.0f + i * blurSpread, 0, 0));
                Graphics.Blit(texture1, texture2, material, 1);
                //水平高斯模糊
                material.SetVector("_offsets", new Vector4(1.0f + i * blurSpread, 0, 0, 0));
                Graphics.Blit(texture2, texture1, material, 1);
            }
            //用模糊图和原始图计算出轮廓图  - 通道2
            material.SetColor("_BloomColor", bloomColor);
            material.SetFloat("_BloomFactor", bloomFactor);
            material.SetTexture("_BlurTex", texture1);
            Graphics.Blit(source, destination, material, 2);
        }
    }
}

二 Shader实现

下面我们重点来看看Shader是如何实现的：

1.首先我们对图像的亮度的提取

亮度的提取非常简单, 通过一个公式即可提取: 0.2125 * r + 0.7154 * g + 0.0721 * b , 这里的原理就不细说了, 感兴趣的可以去Google一下。
亮度提取成功之后我们可以通过一个阙值来控制，并且把值限制在0-1范围内

关键shader代码如下：

// 亮度提取
fixed luminance(fixed4 color) {
    return  0.2125 * color.r + 0.7154 * color.g + 0.0721 * color.b; 
}
// 片元着色器
fixed4 fragExtractBright(v2fExtBright i) : SV_Target {
    fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
    // clamp 约束到 0 - 1 区间
    fixed val = clamp(luminance(color) - _LuminanceThreshold, 0.0, 1.0);
    
    return color * val;
}

呈现效果如下:

2.模糊处理

然后我们再对以上得到的图像经过高斯模糊处理一下, 这里也可以采用简单的均值模糊处理。
这里的模糊处理教程也不细说了，篇幅太长，可以参考我之前的一篇文章：Unity Shader - 均值模糊和高斯模糊

关键代码:

 // ---------------------------【高斯模糊 - start】---------------------------
struct v2fBlur  
{  
    float4 pos : SV_POSITION;   //顶点位置  
    float2 uv  : TEXCOORD0;     //纹理坐标  
    float4 uv01 : TEXCOORD1;    //一个vector4存储两个纹理坐标  
    float4 uv23 : TEXCOORD2;    //一个vector4存储两个纹理坐标  
};  

//高斯模糊顶点着色器
v2fBlur vertBlur(appdata_img v)  
{  
    v2fBlur o;  
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  
    //uv坐标  
    o.uv = v.texcoord.xy;  
    
    //计算一个偏移值，offset可能是（1，0，0，0）也可能是（0，1，0，0）这样就表示了横向或者竖向取像素周围的点  
    _offsets *= _MainTex_TexelSize.xyxy;  
    
    //由于uv可以存储4个值，所以一个uv保存两个vector坐标，_offsets.xyxy * float4(1,1,-1,-1)可能表示(0,1,0-1)，表示像素上下两个  
    //坐标，也可能是(1,0,-1,0)，表示像素左右两个像素点的坐标，下面*2.0，*3.0同理  
    o.uv01 = v.texcoord.xyxy + _offsets.xyxy * float4(1, 1, -1, -1);  
    o.uv23 = v.texcoord.xyxy + _offsets.xyxy * float4(1, 1, -1, -1) * 2.0;  
    return o;  
}  

//高斯模糊片段着色器
fixed4 fragBlur(v2fBlur i) : SV_Target  
{  
    fixed4 color = fixed4(0,0,0,0);  
    color += 0.4026 * tex2D(_MainTex, i.uv);  
    color += 0.2442 * tex2D(_MainTex, i.uv01.xy);  
    color += 0.2442 * tex2D(_MainTex, i.uv01.zw);  
    color += 0.0545 * tex2D(_MainTex, i.uv23.xy);  
    color += 0.0545 * tex2D(_MainTex, i.uv23.zw);  
    return color;  
}
// ---------------------------【高斯模糊 - end】---------------------------

处理后的效果如下：

3.最后叠加原图和模糊处理后的图像

关键代码如下

// 片元着色器
fixed4 fragBloom(v2fBloom i) : SV_Target {
    //对原图进行uv采样
    fixed4 mainColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
    //对模糊处理后的图进行uv采样
    fixed4 blurColor = tex2D(_BlurTex, i.uv);
    //输出 = 原始图像 + 模糊图像 * bloom颜色 * bloom权值
    fixed4 resColor = mainColor + blurColor * _BloomColor * _BloomFactor
    return resColor;
} 

原图和Bloom的对比效果如下(左原图,右bloom)：

最终的完整Shader代码:

// ---------------------------【泛光 Bloom】---------------------------
Shader "lcl/screenEffect/Bloom"  
{
    // ---------------------------【属性】---------------------------
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    // ---------------------------【子着色器】---------------------------
    SubShader
    {
        //后处理效果一般都是这几个状态  
        ZTest Always  
        Cull Off  
        ZWrite Off  
        Fog{ Mode Off } 

        CGINCLUDE
        #include "UnityCG.cginc"
        
        sampler2D _MainTex;
        half4 _MainTex_TexelSize;
        sampler2D _BlurTex;
        float4 _offsets;
        float _LuminanceThreshold;
        fixed4 _BloomColor;
        float _BloomFactor;

        // ---------------------------【亮度提取 - start】---------------------------
        struct v2fExtBright {
            float4 pos : SV_POSITION; 
            half2 uv : TEXCOORD0;
        };
        // 顶点着色器
        v2fExtBright vertExtractBright(appdata_img v) {
            v2fExtBright o;
            
            o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.uv = v.texcoord;
            
            return o;
        }
        // 亮度提取
        fixed luminance(fixed4 color) {
            return  0.2125 * color.r + 0.7154 * color.g + 0.0721 * color.b; 
        }
        // 片元着色器
        fixed4 fragExtractBright(v2fExtBright i) : SV_Target {
            fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
            // clamp 约束到 0 - 1 区间
            fixed val = clamp(luminance(color) - _LuminanceThreshold, 0.0, 1.0);
            
            return color * val;
        }
        // ---------------------------【亮度提取 - end】---------------------------


        
        // ---------------------------【高斯模糊 - start】---------------------------
        struct v2fBlur  
        {  
            float4 pos : SV_POSITION;   //顶点位置  
            float2 uv  : TEXCOORD0;     //纹理坐标  
            float4 uv01 : TEXCOORD1;    //一个vector4存储两个纹理坐标  
            float4 uv23 : TEXCOORD2;    //一个vector4存储两个纹理坐标  
        };  

        //高斯模糊顶点着色器
        v2fBlur vertBlur(appdata_img v)  
        {  
            v2fBlur o;  
            o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  
            //uv坐标  
            o.uv = v.texcoord.xy;  
            
            //计算一个偏移值，offset可能是（1，0，0，0）也可能是（0，1，0，0）这样就表示了横向或者竖向取像素周围的点  
            _offsets *= _MainTex_TexelSize.xyxy;  
            
            //由于uv可以存储4个值，所以一个uv保存两个vector坐标，_offsets.xyxy * float4(1,1,-1,-1)可能表示(0,1,0-1)，表示像素上下两个  
            //坐标，也可能是(1,0,-1,0)，表示像素左右两个像素点的坐标，下面*2.0，*3.0同理  
            o.uv01 = v.texcoord.xyxy + _offsets.xyxy * float4(1, 1, -1, -1);  
            o.uv23 = v.texcoord.xyxy + _offsets.xyxy * float4(1, 1, -1, -1) * 2.0;  
            return o;  
        }  
        
        //高斯模糊片段着色器
        fixed4 fragBlur(v2fBlur i) : SV_Target  
        {  
            fixed4 color = fixed4(0,0,0,0);  
            color += 0.4026 * tex2D(_MainTex, i.uv);  
            color += 0.2442 * tex2D(_MainTex, i.uv01.xy);  
            color += 0.2442 * tex2D(_MainTex, i.uv01.zw);  
            color += 0.0545 * tex2D(_MainTex, i.uv23.xy);  
            color += 0.0545 * tex2D(_MainTex, i.uv23.zw);  
            return color;  
        }
        // ---------------------------【高斯模糊 - end】---------------------------

        // ---------------------------【Bloom(高斯模糊和原图叠加) - start】---------------------------
        struct v2fBloom {
            float4 pos : SV_POSITION; 
            half2 uv : TEXCOORD0;
        };
        // 顶点着色器
        v2fBloom vertBloom(appdata_img v) {
            v2fBloom o;
            
            o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.uv = v.texcoord;
            return o;
        }
        
        // 片元着色器
        fixed4 fragBloom(v2fBloom i) : SV_Target {
            //对原图进行uv采样
            fixed4 mainColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
            //对模糊处理后的图进行uv采样
            fixed4 blurColor = tex2D(_BlurTex, i.uv);
            //输出 = 原始图像 + 模糊图像 * bloom颜色 * bloom权值
            fixed4 resColor = mainColor + blurColor * _BloomColor * _BloomFactor;
            return resColor;
        } 
        // ---------------------------【Bloom - end】---------------------------

        ENDCG

        // 亮度提取
        Pass {  
            CGPROGRAM  
            #pragma vertex vertExtractBright  
            #pragma fragment fragExtractBright  
            ENDCG  
        }

        //高斯模糊
        Pass {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vertBlur  
            #pragma fragment fragBlur
            ENDCG  
        }

        // Bloom
        Pass {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vertBloom  
            #pragma fragment fragBloom
            ENDCG  
        }

    }
}

最后

有兴趣的小伙伴可以来我的GitHub逛逛, 欢迎Star，谢谢！
里面有我平时学习unity shader过程中实现的一些特效demo。