【Unity Shaders】游戏性和画面特效——创建一个夜视效果的画面特效

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

呜呼，这本书最后一篇了有木有！！！想想就有点小激动呢。。。（可是还有很多隔过去了。）技术文章里就不说太多废话了，之后会写一篇总结的，坑也会慢慢补上的（我希望吧。）。

好啦！我们本节要学习的特效是一个更加常见的画面特效。在市场上很多的第一人称射击游戏（FPS）中，我们都可以看到夜视效果的身影，比如《使命召唤》、《光晕》等等。这种效果使屏幕蒙上一层非常独特的黄绿色。下面是《使命召唤》中的夜视效果：

 

为了实现这种夜视效果，我们需要使用Photoshop来分解上述效果的实现。我们可以从网上找一些参考图片，然后和已有图层合并，看看我们需要哪种混合效果，以及我们要怎样组合不同的图层。下面的图像显示了在Photoshop中进行上述过程的最后结果：

而最后Shader实现的结果像下面这样：

下面，我们开始将Photoshop中的最终图像分解成几个部分，来更好的理解这些资源是如何被整合在一起的。而后，我们会深入讲解实现过程。

准备工作

之前说过，使用Photoshop可以让我们方便地构分层图像，以便我们可以更好地理解如何得到一个夜视效果。现在，我们就把夜视效果分解成几个组成图层。

• 偏绿色的画面（Tinted green）：夜视效果的第一个图层就是它标志性的绿色，几乎所有的夜视图像都是这种色调的。这可以让我们的特效看起来就是明显的夜视效果。
  
• 扫描线（Scan lines）：为了增加夜视效果的真实性，我们在上述着色层的上面添加了一层扫描线。在这里，我们使用了一张用Photoshop创建的纹理，然后让用户选择平铺系数来控制扫描线的宽窄和大小。
  
• 噪点（Noise）：下一个图层是一个简单的噪点图层，它平铺在上述两种图层的上方，用于分解图像为我们的特效添加更多的细节效果。
  
• 晕影（Vignette）：夜视效果的最后一层就是晕影。从上面《使命召唤》的游戏截图可以看出，它使用一个晕影来模拟一个视野效果。我们使用下面的图层来作为晕影纹理。
  

现在，我们把上述各个纹理结合在一起，开始正式创建夜视效果的画面特效。

1. 准备好一张晕影纹理、一张噪声纹理和一张扫描线纹理，你可以在本书资源（见本文最上方）中找到对应的纹理。
2. 创建一个新的脚本，命名为NightVisionEffect.cs，以及一个新的Shader，命名为NightVisionEffectShader.shader。
3. 使用前一章第一篇里的代码填充上述新的脚本和Shader。
4. 把OldFilmEffect脚本添加到Camera上，并使用OldFilmEffectShader给OldFilmEffect脚本中的Cur Shader赋值。

实现

现在你的画面特效脚本系统应该已经建立好了，现在我们来实现具体的脚本和Shader。

首先，我们来填写NightVisionEffect.cs脚本的主要代码。

1. 第一步我们要定义一些需要在面板中显示的变量，以便让用户进行调整。在脚本中添加如下代码：

   	#region Variables
   	public Shader nightVisionShader;
   
   	public float contrast = 2.0f;
   	public float brightness = 1.0f;
   	public Color nightVisionColor = Color.white;
   
   	public Texture2D vignetteTexture;
   
   	public Texture2D scanLineTexture;
   	public float scanLineTileAmount = 4.0f;
   
   	public Texture2D nightVisionNoise;
   	public float noiseXSpeed = 100.0f;
   	public float noiseYSpeed = 100.0f;
   
   	public float distortion = 0.2f;
   	public float scale = 0.8f;
   
   	private Material curMaterial;
   	private float randomValue = 0.0f;
   	#endregion

2. 下面，我们需要填充OnRenderImage函数。在这个函数里，我们将要把上述变量传递给Shader，使得Shader可以使用这些数据来处理render texture：

   	void OnRenderImage (RenderTexture sourceTexture, RenderTexture destTexture){
   		if (nightVisionShader != null) {
   			material.SetFloat("_Contrast", contrast);
   			material.SetFloat("_Brightness", brightness);
   			material.SetColor("_NightVisionColor", nightVisionColor);
   			material.SetFloat("_RandomValue", randomValue);
   			material.SetFloat("_Distortion", distortion);
   			material.SetFloat("_Scale", scale);
   
   			if (vignetteTexture) {
   				material.SetTexture("_VignetteTex", vignetteTexture);
   			}
   
   			if (scanLineTexture) {
   				material.SetTexture("_ScanLineTex", scanLineTexture);
   				material.SetFloat("_ScanLineTileAmount", scanLineTileAmount);
   			}
   
   			if (nightVisionNoise) {
   				material.SetTexture("_NoiseTex", nightVisionNoise);
   				material.SetFloat("_NoiseXSpeed", noiseXSpeed);
   				material.SetFloat("_NoiseYSpeed", noiseYSpeed);
   			}
   
   			Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture, material);
   		} else {
   			Graphics.Blit(sourceTexture, destTexture);
   		}
   	}

3. 最后，我们需要保证一些变量的范围。这些范围可以根据需要后续更改：

   	void Update () {
   		contrast = Mathf.Clamp(contrast, 0.0f, 4.0f);
   		brightness = Mathf.Clamp(brightness, 0.0f, 2.0f);
   		distortion = Mathf.Clamp(distortion, -1.0f, 1.0f);
   		scale = Mathf.Clamp(scale, 0.0f, 3.0f);
   		randomValue = Random.Range(-1.0f, 1.0f);
   	}

接下来，我们来实现关键的Shader部分。

1. 首先，还是添加一些新的Properties：

   	Properties {
   		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
   		_VignetteTex ("Vignette Texture", 2D) = "white" {}
   		_ScanLineTex ("Scan Line Texture", 2D) = "white" {}
   		_ScanLineTileAmount ("Scale Line Tile Amount", Float) = 4.0
   		_NoiseTex ("Noise Texture", 2D) = "white" {}
   		_NoiseXSpeed ("Noise X Speed", Float) = 100.0
   		_NoiseYSpeed ("Noise Y Speed", Float) = 100.0
   		_NightVisionColor ("Night Vision Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
   		_Contrast ("Contrast", Range(0, 4)) = 2
   		_Brightness ("Brightness", Range(0, 2)) = 1
   		_RandomValue ("Random Value", Float) = 0
   		_Distortion ("Distortion", Float) = 0.2
   		_Scale ("Scale (Zoom)", Float) = 0.8
   	}

2. 我们还需要在CGPROGRAM块中添加对应的变量，以便Properties块可以和CGPROGRAM块通信：

   	SubShader {
   		Pass {
   			CGPROGRAM
   
   			#pragma vertex vert_img
   			#pragma fragment frag
   
   			#include "UnityCG.cginc"
   
   			uniform sampler2D _MainTex;
   			uniform sampler2D _VignetteTex;
   			uniform sampler2D _ScanLineTex;
   			fixed _ScanLineTileAmount;
   			uniform sampler2D _NoiseTex;
   			fixed _NoiseXSpeed;
   			fixed _NoiseYSpeed;
   			fixed4 _NightVisionColor;
   			fixed _Contrast;
   			fixed _Brightness;
   			fixed _RandomValue;
   			fixed _Distortion;
   			fixed _Scale;

3. 我们的特效还需要一个透镜变形（lens distortion）效果，来模拟从透镜中观察、图像边界由于透镜度数而发生变形的效果。在变量声明的下方添加如下代码：

   			float2 barrelDistortion(float2 coord) {
   				// Lens distortion algorithm
   				// See http://www.ssontech.com/content/lensalg.htm
   
   				float2 h = coord.xy - float2(0.5, 0.5);
   				float r2 = h.x * h.x + h.y * h.y;
   				float f = 1.0 + r2 * (_Distortion * sqrt(r2));
   
   				return f * _Scale * h + 0.5;
   			}

   解释：夜视效果实际和之前的老电影效果很像，都是把一些图层组合、模块化起来。最大的不同就是这里使用了一个透镜变形效果。

   上述算法是由SynthEyes的成员提供的，免费使用哦~第一行代码首先找到纹理的中心——float(0.5, 0.5)。一旦得到了图像中心，我们可以根据像素距离中心的远近对像素应用一个拉伸。具体分析可见本文最下方的相关链接。

4. 现在，我们到了整个Shader的关键部分。首先，在frag函数里添加如下代码来得到render texture和晕影纹理：

   			fixed4 frag(v2f_img i) : COLOR {
   				// Get the colors from the Render Texture and the uv's
   				// from the v2f_img struct
   				half2 distortedUV = barrelDistortion(i.uv);
   				fixed4 renderTex = tex2D(_MainTex, distortedUV);
   				fixed4 vignetteTex = tex2D(_VignetteTex, i.uv);

   解释：这三行代码很简单。在得到了变形后的UV坐标后，采样得到render texture中对应的像素，再按正常的UV得到晕影纹理的对应像素。

   最后，得到了底层图像像素renderTex和晕影图层的像素vignetteTex。

5. 下一步，我们需要处理扫描线和噪点纹理，通过UV坐标为它们添加合适的动画：

   				// Process  scan lines and noise
   				half2 scanLinesUV = half2(i.uv.x * _ScanLineTileAmount, i.uv.y * _ScanLineTileAmount);
   				fixed4 scanLineTex = tex2D(_ScanLineTex, scanLinesUV);
   
   				half2 noiseUV = half2(i.uv.x + (_RandomValue * _SinTime.z * _NoiseXSpeed),
   											i.uv.y + (_Time.x * _NoiseYSpeed));
   				fixed4 noiseTex = tex2D(_NoiseTex, noiseUV);

   解释：这里跟之前老电影的纹理动画处理方式类似。

   对于扫描线纹理，之前我们说过，通过_ScanLineTileAmount可以调整画面上扫描线的宽窄和多少。_ScanLineTileAmount越大，条纹越密越细，反之越宽。

   对于噪点纹理，我们需要添加一个动态效果。在XY方向上处理方式稍有不同，这是为什么呢？我自己的理解是这样的。。。对于X方向，我们想要模拟的是一个小幅度的类似抖动的效果，因此用_SinTime作为因子。而对于Y方向，我们想要模拟向一个方向不断滚动的效果，因此使用_Time作为因子。

   最后，根据上述UV坐标可以得到扫描线纹理的像素scanLineTex和噪点纹理的像素noiseTex。

6. 最后一层图层是偏绿的颜色效果。我们仅仅需要处理render texture的光度值（Luminance），然后给它添加一个夜视颜色，来得到最终形象的夜视效果：

   				// Get the luminosity values from the render texture using the YIQ values
   				fixed lum = dot(fixed3(0.299, 0.587, 0.114), renderTex.rgb);
   				lum += _Brightness;
   				fixed4 finalColor = (lum * 2) + _NightVisionColor;

   解释：最后一层图层是为整个画面添加绿色色调。首先也是通过YIQ得到当前的光度值lum，再加上_Brightness来调整亮度。最后，再加上_NightVisionColor（也就是绿色）。这里lum*2是为了不至于让整个画面太暗。

7. 最后，我们把所有的图层结合在一起，返回最终的像素值：

   				// Final output
   				finalColor = pow(finalColor, _Contrast);
   				finalColor *= vignetteTex;
   				finalColor *= scanLineTex * noiseTex;
   
   				return finalColor;
   			}

完整的脚本和Shader如下：

NightVisionEffect脚本：

using UnityEngine;
using System.Collections;

[ExecuteInEditMode]
public class NightVisionEffect : MonoBehaviour {

	#region Variables
	public Shader nightVisionShader;

	public float contrast = 2.0f;
	public float brightness = 1.0f;
	public Color nightVisionColor = Color.white;

	public Texture2D vignetteTexture;

	public Texture2D scanLineTexture;
	public float scanLineTileAmount = 4.0f;

	public Texture2D nightVisionNoise;
	public float noiseXSpeed = 100.0f;
	public float noiseYSpeed = 100.0f;

	public float distortion = 0.2f;
	public float scale = 0.8f;

	private Material curMaterial;
	private float randomValue = 0.0f;
	#endregion

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

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

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

	void OnRenderImage (RenderTexture sourceTexture, RenderTexture destTexture){
		if (nightVisionShader != null) {
			material.SetFloat("_Contrast", contrast);
			material.SetFloat("_Brightness", brightness);
			material.SetColor("_NightVisionColor", nightVisionColor);
			material.SetFloat("_RandomValue", randomValue);
			material.SetFloat("_Distortion", distortion);
			material.SetFloat("_Scale", scale);

			if (vignetteTexture) {
				material.SetTexture("_VignetteTex", vignetteTexture);
			}

			if (scanLineTexture) {
				material.SetTexture("_ScanLineTex", scanLineTexture);
				material.SetFloat("_ScanLineTileAmount", scanLineTileAmount);
			}

			if (nightVisionNoise) {
				material.SetTexture("_NoiseTex", nightVisionNoise);
				material.SetFloat("_NoiseXSpeed", noiseXSpeed);
				material.SetFloat("_NoiseYSpeed", noiseYSpeed);
			}

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

	// Update is called once per frame
	void Update () {
		contrast = Mathf.Clamp(contrast, 0.0f, 4.0f);
		brightness = Mathf.Clamp(brightness, 0.0f, 2.0f);
		distortion = Mathf.Clamp(distortion, -1.0f, 1.0f);
		scale = Mathf.Clamp(scale, 0.0f, 3.0f);
		randomValue = Random.Range(-1.0f, 1.0f);
	}

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

NightVisionEffectShader如下：

Shader "Custom/NightVisionEffectShader" {
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
		_VignetteTex ("Vignette Texture", 2D) = "white" {}
		_ScanLineTex ("Scan Line Texture", 2D) = "white" {}
		_ScanLineTileAmount ("Scale Line Tile Amount", Float) = 4.0
		_NoiseTex ("Noise Texture", 2D) = "white" {}
		_NoiseXSpeed ("Noise X Speed", Float) = 100.0
		_NoiseYSpeed ("Noise Y Speed", Float) = 100.0
		_NightVisionColor ("Night Vision Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_Contrast ("Contrast", Range(0, 4)) = 2
		_Brightness ("Brightness", Range(0, 2)) = 1
		_RandomValue ("Random Value", Float) = 0
		_Distortion ("Distortion", Float) = 0.2
		_Scale ("Scale (Zoom)", Float) = 0.8
	}
	SubShader {
		Pass {
			CGPROGRAM

			#pragma vertex vert_img
			#pragma fragment frag

			#include "UnityCG.cginc"

			uniform sampler2D _MainTex;
			uniform sampler2D _VignetteTex;
			uniform sampler2D _ScanLineTex;
			fixed _ScanLineTileAmount;
			uniform sampler2D _NoiseTex;
			fixed _NoiseXSpeed;
			fixed _NoiseYSpeed;
			fixed4 _NightVisionColor;
			fixed _Contrast;
			fixed _Brightness;
			fixed _RandomValue;
			fixed _Distortion;
			fixed _Scale;

			float2 barrelDistortion(float2 coord) {
				// Lens distortion algorithm
				// See http://www.ssontech.com/content/lensalg.htm

				float2 h = coord.xy - float2(0.5, 0.5);
				float r2 = h.x * h.x + h.y * h.y;
				float f = 1.0 + r2 * (_Distortion * sqrt(r2));

				return f * _Scale * h + 0.5;
			}

			fixed4 frag(v2f_img i) : COLOR {
				// Get the colors from the Render Texture and the uv's
				// from the v2f_img struct
				half2 distortedUV = barrelDistortion(i.uv);
				fixed4 renderTex = tex2D(_MainTex, distortedUV);
				fixed4 vignetteTex = tex2D(_VignetteTex, i.uv);

				// Process  scan lines and noise
				half2 scanLinesUV = half2(i.uv.x * _ScanLineTileAmount, i.uv.y * _ScanLineTileAmount);
				fixed4 scanLineTex = tex2D(_ScanLineTex, scanLinesUV);

				half2 noiseUV = half2(i.uv.x + (_RandomValue * _SinTime.z * _NoiseXSpeed),
											i.uv.y + (_Time.x * _NoiseYSpeed));
				fixed4 noiseTex = tex2D(_NoiseTex, noiseUV);

				// Get the luminosity values from the render texture using the YIQ values
				fixed lum = dot(fixed3(0.299, 0.587, 0.114), renderTex.rgb);
				lum += _Brightness;
				fixed4 finalColor = (lum * 2) + _NightVisionColor;

				// Final output
				finalColor = pow(finalColor, _Contrast);
				finalColor *= vignetteTex;
				finalColor *= scanLineTex * noiseTex;

				return finalColor;
			}

			ENDCG
		}
	}
	FallBack "Diffuse"
}

完成后返回Unity编辑器查看效果。我们需要在面板中设置对应的图片和属性，像下面这样：

扩展链接

关于透镜形变效果：

• http://www.ssontech.com/content/lensalg.html