【Unity Shaders】使用Unity Render Textures实现画面特效——建立画面特效脚本系统

本系列主要参考《Unity Shaders and Effects Cookbook》一书（感谢原书作者），同时会加上一点个人理解或拓展。

这里是本书所有的插图。这里是本书所需的代码和资源（当然你也可以从官网下载）。

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写在前面

最近由于成为研一新生，被入学的各种事情耽误，好久没有更新博客，好惭愧。。。刚收拾好我就来更新博客啦~快表扬我一下。。。前几天有好心人给我提建议说代码和解释分开容易导致学习不连贯，其实我也有这个感觉。我我为什么不写到注释里呢？一个是因为解释的内容比较多，注释里面说不太清楚；更重要的原因是，我的Mono不支持中文输入。。。只能复制粘贴！如果有人知道Mac的Mono里面怎么输入中文可以告诉我。。。为了让学习过程更连贯，以后的“解释”部分大部分都会移到“实现”中每一步的解释里面！

这节是一个新的章节，倒数第二章喽~Render Texture是一个非常好用的东西，通过本章我们就来学习如何用它来实现一些画面特效，像老电影效果、雪花效果等等。

先来介绍一下本章。学习编写Shader一个很有用的地方就是可以创建各种自定义的画面特效，也被称为后期特效（post effects）。使用这些画面特效，我们可以创建很多美妙的实时图像，例如高光（Bloom），运动模糊（Motion Blur），HDR特效（HDR effects）等等。大多数市面上的现代游戏使用了很多这样的画面特效，以此来得到景深效果，高光效果，甚至是进行颜色矫正。

通过本章，我们将学习如何建立一个脚本系统，来控制创建这些画面特效。我们会学习什么是render texture，什么是深度缓冲，以及怎样像Photoshop那样创建画面特效。通过这些内容，你不仅可以进一步加深Shader知识，还可以自己动脑在Unity中创建很棒的实时渲染。

那么怎样创建画面特效呢？

一般，我们会抓取一个完整的画面图像（或纹理），使用Shader在GPU上处理它的像素后，再返回给Unity的渲染器渲染到屏幕上，也就是一个后期处理的过程。这允许我们可以对渲染后的游戏图像进行实时地逐像素操作，从而给了我们一个全局的控制能力。

我们想象一个场景。我们需要调整游戏最后的画面对比度。如果我们去调整每个材质，虽然的确可能做到，但这会非常麻烦。而通过利用画面特效，我们就可以整体调整画面最后的效果。

为了让我们的画面特效系统能够建立并正常运行，我们需要创建一个单独的脚本来作为游戏当前已渲染的图像（也就是Unity的render texture）的通信员。这个脚本会把当前的render texture传递给Shader。

我们第一个画面特效是一个非常简单的灰度效果。那，开始吧！

准备工作

1. 创建一个新的场景，创建一个平行光。
2. 创建一个新的C#脚本，命名为TestRenderImage.cs。
3. 创建一个新的Shader和Material，命名为ImageEffect。
4. 创建一个球体，并把新材质赋给它。这个新的材质可以使用任何Shader，这里我们使用一个简单的红色高光反射材质，Specular Material。

最后，你的场景大概是这个样子的：

实现

我们总共需要一个脚本和一个Shader。

脚本：负责在编辑中实时更新图像，同时也负责从主摄像机抓取render texture，然后把该texture传递给Shader。

Shader：一旦render texture到达Shader后，我们就在这里面进行逐像素操作。

首先，我们来实现C#脚本。

1. 为了让我们在Unity非运行时刻，也可以实时编辑和查看画面效果，我们需要在TestRenderImage类的上面声明下面的语句：

   [ExecuteInEditMode]
   public class TestRenderImage : MonoBehaviour {

   解释：ExecuteInEditMode的文档在这里。通常，一个脚本仅会在play模式下运行。而添加了这个声明后，我们的脚本就可以进行一些回调函数，即使Unity并不是在play模式下。而我们常见的一些回调函数的回调方式也有所不同：
   Update：在scene发生变化时被调用
   OnGUI：在Game视图接受到Event时被调用
   OnRenderImage：在Scene视图或Game视图重绘时被调用

2. 打开TestRenderImage.cs脚本。首先我们添加一些新的变量：

   public class TestRenderImage : MonoBehaviour {
   
   	#region Variables
   	public Shader curShader;
   	public float grayScaleAmount = 1.0f;
   	private Material curMaterial;
   	#endregion

   解释：这里面的#region没有实际作用，仅仅是方面coder阅读源码~

3. 因为我们的画面特效要使用Shader来执行对画面图像的像素操作，所以我们需要创建一个材质来运行Shader。如果没有材质，我们就不可以访问Shader的属性。因此，我们在C#中创建一个属性来检查是否有这样一个材质，如果没有就创建一个。

   	#region Properties
   	public Material material {
   		get {
   			if (curMaterial == null) {
   				curMaterial = new Material(curShader);
   				curMaterial.hideFlags = HideFlags.HideAndDontSave;
   			}
   			return curMaterial;
   		}
   	}
   	#endregion

4. 现在，我们需要建立一些检查，来看看当前的游戏平台是否支持画面特效。如果不支持，我们在脚本的一开始就disable它：

   	// Use this for initialization
   	void Start () {
   		if (SystemInfo.supportsImageEffects == false) {
   			enabled = false;
   			return;
   		}
   
   		if (curShader != null && curShader.isSupported == false) {
   			enabled = false;
   		}
   	}

5. 为了真正从Unity渲染器中抓取被渲染过的图像，我们需要使用Unity内置的OnRenderImage函数。下面的代码允许我们访问当前被渲染的图像：

   	void OnRenderImage (RenderTexture sourceTexture, RenderTexture destTexture){
   		if (curShader != null) {
   			material.SetFloat("_LuminosityAmount", grayScaleAmount);
   
   			Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture, material);
   		} else {
   			Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture);
   		}
   	}

   解释：一旦通过上述的各种检查，我们就需要调用内置的OnRenderImage函数来实现画面特效。这个函数负责从Unity渲染器中抓取当前的render texture，然后使用Graphics.Blit()函数再传递给Shader（通过sourceTexture参数），然后再返回一个处理后的图像再次传递回给Unity渲染器（通过destTexture参数）。这两个行数互相搭配是处理画面特效的很常见的方法。你可以在下面的连接中找到这两个函数更详细的信息：
   OnRenderImage：该摄像机上的任何脚本都可以收到这个回调（意味着你必须把它附到一个Camera上）。允许你修改最后的Render Texture。
   Graphics.Blit：sourceTexture会成为material的_MainTex。

6. 我们的画面效果需要一个名为的变量，它是用于控制最终屏幕效果的灰度值的。因此，我们需要保证这个值的范围在0到1，0表示没有任何灰度效果，1表示完全灰度化。我们在Update函数里执行这个操作：

   	// Update is called once per frame
   	void Update () {
   		grayScaleAmount = Mathf.Clamp(grayScaleAmount, 0.0f, 1.0f);
   	}

7. 最后，由于我们在一开始创建了一个虚拟材质，我们需要在脚本被disable时，销毁该对象：

   	void OnDisable () {
   		if (curMaterial != null) {
   			DestroyImmediate(curMaterial);
   		}
   	}

完整的TestRenderImage.cs代码如下：

using UnityEngine;
using System.Collections;

[ExecuteInEditMode]
public class TestRenderImage : MonoBehaviour {

	#region Variables
	public Shader curShader;
	public float grayScaleAmount = 1.0f;
	private Material curMaterial;
	#endregion

	#region Properties
	public Material material {
		get {
			if (curMaterial == null) {
				curMaterial = new Material(curShader);
				curMaterial.hideFlags = HideFlags.HideAndDontSave;
			}
			return curMaterial;
		}
	}
	#endregion

	// Use this for initialization
	void Start () {
		if (SystemInfo.supportsImageEffects == false) {
			enabled = false;
			return;
		}

		if (curShader != null && curShader.isSupported == false) {
			enabled = false;
		}
	}

	void OnRenderImage (RenderTexture sourceTexture, RenderTexture destTexture){
		if (curShader != null) {
			material.SetFloat("_LuminosityAmount", grayScaleAmount);

			Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture, material);
		} else {
			Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture);
		}
	}

	// Update is called once per frame
	void Update () {
		grayScaleAmount = Mathf.Clamp(grayScaleAmount, 0.0f, 1.0f);
	}

	void OnDisable () {
		if (curMaterial != null) {
			DestroyImmediate(curMaterial);
		}
	}
}

现在，我们可以把该脚本赋给当前的主摄像机。你将会看到面板上出现一个grayScaleAmount值以及一个为Shader赋值的区域。现在运行的话，你不会看到任何变化，我们还差一个Shader啦~

继续Shader的编写。

1. 首先还是需要一些新的属性：

   	Properties {
   		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
   		_LuminosityAmount ("GrayScale Amount", Range(0.0, 1.0)) = 1.0
   	}

   解释：之前提到，通过Graphics.Blit()函数，我们可以把抓取获得的Render Texture作为该材质的_MainTex属性传递给Shader。

2. 这次的Shader需要利用纯正的Cg Shader代码，而不是Unity内置的Surface Shader。这会使得我们更加优化画面特效，因为我们仅仅需要去计算render texture的像素。因此，我们创建一个新的pass，并使用一些新的#pragma声明：

   	SubShader {
   		Pass {
   			CGPROGRAM
   			#pragma vertex vert_img
   			#pragma fragment frag
   
   			#include "UnityCG.cginc"

   解释：这涉及到了Vertex&Fragment Shader的知识。呜，后面补一篇入门级文章好了。这里简单解释一下。Vertex&Fragment Shader如它的名字一样，需要我们实现两个函数：vertex和fragment。vertex函数负责把模型顶点位置转换到摄像机的透视坐标系中，以及处理模型各顶点对应的纹理坐标等。fragment则负责输出最后屏幕每个像素的颜色值。这里，第一个#pragma指明我们使用名为vet_img的vertex函数，这个函数Unity为我们写好了，在UnityCG.cginc里，它就是完成了两个最简单的计算，计算顶点对应的透视坐标以及纹理坐标。第二个#pragma指明我们使用名为frag的fragment函数，这是在下面的步骤里实现的。

3. 为了访问新的属性，我们需要在CGPROGRAM里创建对应的变量：

   			uniform sampler2D _MainTex;
   			fixed _LuminosityAmount;

4. 最后，我们仅仅需要编写自己的像素函数，也就是这里的frag()函数。这是画面特效中真正改变画面像素值的地方。这个函数将会处理render texture的每个像素，然后向TestRenderImage.cs返回一个新的图像：

   			fixed4 frag(v2f_img i) : COLOR
   			{
   				//Get the colors from the RenderTexture and the uv's
   				//from the v2f_img struct
   				fixed4 renderTex = tex2D(_MainTex, i.uv);
   
   				//Apply the Luminosity values to our render texture
   				float luminosity = 0.299 * renderTex.r + 0.587 * renderTex.g + 0.114 * renderTex.b;
   				fixed4 finalColor = lerp(renderTex, luminosity, _LuminosityAmount);
   
   				return finalColor;
   			}

完整的ImageEffect.shader代码如下：

Shader "Custom/ImageEffect" {
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
		_LuminosityAmount ("GrayScale Amount", Range(0.0, 1.0)) = 1.0
	}
	SubShader {
		Pass {
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert_img
			#pragma fragment frag

			#include "UnityCG.cginc"

			uniform sampler2D _MainTex;
			fixed _LuminosityAmount;

			fixed4 frag(v2f_img i) : COLOR
			{
				//Get the colors from the RenderTexture and the uv's
				//from the v2f_img struct
				fixed4 renderTex = tex2D(_MainTex, i.uv);

				//Apply the Luminosity values to our render texture
				float luminosity = 0.299 * renderTex.r + 0.587 * renderTex.g + 0.114 * renderTex.b;
				fixed4 finalColor = lerp(renderTex, luminosity, _LuminosityAmount);

				return finalColor;
			}

			ENDCG
		}
	}
	FallBack "Diffuse"
}

保存，返回Unity查看。把上述Shader赋给TestRenderImage.cs中的Shader变量。此时，我们改变grayScaleAmount的值就会发现游戏画面的灰度发生了变化（从左到右灰度值分别是0.0，0.5，1.0）：

    

上面的过程展示了我们如何使用一种方便的方法检验画面特效Shader。下面，我们来更深入地了解这其中render texture到底发生了什么变化，以及从头到尾它们到底是怎么被处理的。

解释

画面特效是顺序处理的，这就像Photoshop中的layers。如果你有多个屏幕特效，你可以按顺序添加给该Camera，那么它们就会按照这个顺序被处理。

上述的过程是被简化过的，但通过这些我们可以看出画面特效的核心是如何工作的。最后，我们总结上述使用Render Texture实现画面特效的核心过程：

1. 在脚本中检查当前平台对特效的支持；
2. 通过OnRenderImage()函数抓取render texture，再通过Graphics.Blit()函数传递给虚拟材质中的Shader进行后处理；
3. Shader的_MainTex即为接收到的render texture，在frag函数里对图像进行逐像素处理后再返回给OnRenderImage函数，得到最后的屏幕画面。