OpenGLShader实例分析- AngryBots中的主角受伤特效

Posted 2020-09-26 lxjshuju

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AngryBots是Unity官方的一个非常棒的样例。非常有研究价值。

曾经研究的时候。因为其内容丰富，一时间不知道从哪入手写文章分析。

这一段时间研究shader技术比較多一些，就从shader的这一方面開始吧。首先分析当中的一个屏幕特效：当主角受到攻击时会出现的全屏效果（postScreenEffect）。效果例如以下：

  

事实上这是一种的Bloom效果，相关文件有：MobileBloom.js 和 MobileBloom.shader；关于怎样查看这两个文件，请參考下图：

JS代码分析

MobileBloom.js部分代码例如以下：

function OnRenderImage (source : RenderTexture, destination : RenderTexture) {		
#if UNITY_EDITOR
	FindShaders ();
	CheckSupport ();
	CreateMaterials ();	
#endif

	agonyTint = Mathf.Clamp01 (agonyTint - Time.deltaTime * 2.75f);
		
	var tempRtLowA : RenderTexture = RenderTexture.GetTemporary (source.width / 4, source.height / 4, rtFormat);
	var tempRtLowB : RenderTexture = RenderTexture.GetTemporary (source.width / 4, source.height / 4, rtFormat);
	
	// prepare data
	
	apply.SetColor ("_ColorMix", colorMix);
	apply.SetVector ("_Parameter", Vector4 (colorMixBlend * 0.25f,  0.0f, 0.0f, 1.0f - intensity - agonyTint));	
	
	// downsample & blur
	
	Graphics.Blit (source, tempRtLowA, apply, agonyTint < 0.5f ? 1 : 5);
	Graphics.Blit (tempRtLowA, tempRtLowB, apply, 2);
	Graphics.Blit (tempRtLowB, tempRtLowA, apply, 3);
	
	// apply
	
	apply.SetTexture ("_Bloom", tempRtLowA);
	Graphics.Blit (source, destination, apply, QualityManager.quality > Quality.Medium ? 4 : 0);
	
	RenderTexture.ReleaseTemporary (tempRtLowA);
	RenderTexture.ReleaseTemporary (tempRtLowB);
}

知识点准备

1）OnRenderImage函数

这是一个回调函数，是MonoBehaviour的生命周期的一部分。每一帧都会被调用；当这个函数被调用时。全部的3d渲染已经完毕，渲染结果以參数source传入到函数中，后期效果的实现就是对source的处理，并把结果整合到destination中。这个函数所在的脚本一般绑定在Camera上。

此函数仅仅有在Unity Pro版本号中才可以使用。

2）Graphics.Blit函数

static void Blit(Texture source, RenderTexture dest);
static void Blit(Texture source, RenderTexture dest, Material mat, int pass = -1);
static void Blit(Texture source, Material mat, int pass = -1);

这个函数就像过转化器一样。source图片经过它的处理变成了dest图片，当中材质对象mat负责算法实施（更准确的说法：算法是绑定到该mat上的shader来实现的。shader能够有多个pass。能够通过pass參数指定特定的shader，-1表示运行这个shader上全部的pass）。

3）RenderTexture.GetTemporary函数 和RenderTexture.ReleaseTemporary函数

GetTemporary获取暂时的RenderTexture。ReleaseTemporary用来释放指定的RenderTexture。

RenderTexture一般在GPU中实现，速度快但资源稀缺。unity内部对RenderTexture做了池化操作。以便复用之。对GetTemporary函数的调用事实上就是获取unity中RenderTexture的引用；当处理完之后。使用ReleaseTemporary来释放对此RenderTexture的引用。达到复用的目的。提高性能。

JS代码分析

了解了三个知识点，上面代码的功能就很清晰了，分析例如以下：

• a）获取两个渲染贴图tempRtLowA和tempRtLowB（长宽都是原图的1/4，用以加快渲染速度）
• b）设置Mat中Shader的參数
• c）通过Mat来处理贴图，终于渲染到destination贴图中。用来显示
• d）释放暂时的贴图。

这里先解释a和c。 

【步骤a】。获取两个贴图，并缩小到原来的1/16（长宽都缩小为原来的1/4，面积为原来的1/16)，节约了GPU内存，同一时候提高渲染速度；因为接下来的步骤是对图片进行模糊处理（对质量要求不高），这样做是可行的。

【步骤c】（注：调用Blit函数来过滤贴图，当中最后一个数字參数是用来指代shader的pass的）

pass1 或者 pass5， 提取颜色中最亮的部分。pass2 对高亮图片进行纵向模糊；pass3 对高亮图片进行横向模糊；pass0或pass4；把模糊的图片叠加到原图片上。

一个亮点。先经过横向模糊。再经过纵向模糊的过程，例如以下图所看到的（能够把这理解为“使一个点向周围扩散的算法”）：

图解算法

如今的重点是【步骤c】中的shader算法是怎么实现的了。先图解一下算法：

图1 原图

图2【初始化】原图缩放成原来的1/16

图3【步骤1】扩大高亮区域

图4 【步骤2】纵向模糊

图5 【步骤3】横向模糊

图6 【步骤4a】（原图 + 步骤3的效果）终于叠加的效果，这个效果称之为glow或者bloom。

图7 【步骤4b】（原图 + 步骤3的效果）终于叠加的效果 《===（注意：这个效果须要在步骤1中加入红色成份）

调节步骤1中的图片颜色强度。能够形成对应的动画，例如以下图所看到的：

Shader分析

接下来，我将依照上图的序列来分析shader開始。

图3【步骤1】扩大高亮区域

js代码：

 Graphics.Blit (source, tempRtLowA, apply, 1);  

shader代码：

struct v2f_withMaxCoords {
	half4 pos : SV_POSITION;
	half2 uv : TEXCOORD0;
	half2 uv2[4] : TEXCOORD1;
};	

v2f_withMaxCoords vertMax (appdata_img v)
{
	v2f_withMaxCoords o;
	o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
	o.uv = v.texcoord;
	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);
	return o; 
}	

fixed4 fragMax ( v2f_withMaxCoords i ) : COLOR
{				
	fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
	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);
} 

// 1
Pass { 
	CGPROGRAM
	
	#pragma vertex vertMax
	#pragma fragment fragMax
	#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
	
	ENDCG	 
}	

这段代码的作用能够描写叙述为：当渲染某一点时。在这一点及其周围四点（左上、右上、左下、右下）中。选取最亮的一点作为该点的颜色。详细解释为：在vertMax的代码中，构造了向四个方向偏移的uv坐标。结合本身uv。共5个uv，一起提交给openGL。光栅化后传给fragmentShader使用。在fragMax中从5个uv所相应的像素中。选取当中最大的作为颜色输出。结果如图3所看到的。

图4 【步骤2】纵向模糊

js端

Graphics.Blit (tempRtLowA, tempRtLowB, apply, 2);

Shader端代码：

struct v2f_withBlurCoords {
	half4 pos : SV_POSITION;
	half2 uv2[4] : TEXCOORD0;
};		

v2f_withBlurCoords vertBlurVertical (appdata_img v)
{
	v2f_withBlurCoords o;
	o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
	o.uv2[0] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, -1.5);			
	o.uv2[1] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, -0.5);	
	o.uv2[2] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, 0.5);	
	o.uv2[3] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, 1.5);	
	return o; 
}			

fixed4 fragBlurForFlares ( v2f_withBlurCoords i ) : COLOR
{				
	fixed4 color = tex2D (_MainTex, i.uv2[0]);
	color += tex2D (_MainTex, i.uv2[1]);
	color += tex2D (_MainTex, i.uv2[2]);
	color += tex2D (_MainTex, i.uv2[3]);
	return color * 0.25;
}

// 2
Pass {
	CGPROGRAM
	
	#pragma vertex vertBlurVertical
	#pragma fragment fragBlurForFlares
	#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
	
	ENDCG 
	}			

这段代码的作用能够描写叙述为：当渲染某一点时，在竖直方向上距其0.5和1.5个单位的四个点（上下各两个）的颜色叠加起来。作为该点的颜色。

结果如图4所看到的。

图5 【步骤3】横向模糊 （同图四的描写叙述）

图6 【步骤4a】终于叠加的效果

（原图 + 步骤3的效果）终于叠加的效果，这个效果称之为glow或者bloom。

js段代码：

apply.SetTexture ("_Bloom", tempRtLowA);
Graphics.Blit (source, destination, apply, 0);

Shader端代码：

struct v2f_simple {
	half4 pos : SV_POSITION;
	half4 uv : TEXCOORD0;
};	

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);
	return color + tex2D(_Bloom, i.uv.zw);
} 

// 0
Pass {
	CGPROGRAM
	
	#pragma vertex vertBloom
	#pragma fragment fragBloom
	#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
	
	ENDCG
	}		

这段代码的作用能够描写叙述为：把图5的结果叠加到原图上。

结果如图6所看到的。

Shader的完整代码

MobileBloom.shader：

Shader "Hidden/MobileBloom" {
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
		_Bloom ("Bloom (RGB)", 2D) = "black" {}
	}
	
	CGINCLUDE

		#include "UnityCG.cginc"

		sampler2D _MainTex;
		sampler2D _Bloom;
		
		uniform fixed4 _ColorMix;	
		
		uniform half4 _MainTex_TexelSize;
		uniform fixed4 _Parameter;
		
		#define ONE_MINUS_INTENSITY _Parameter.w

		struct v2f_simple {
			half4 pos : SV_POSITION;
			half4 uv : TEXCOORD0;
		};
		
		struct v2f_withMaxCoords {
			half4 pos : SV_POSITION;
			half2 uv : TEXCOORD0;
			half2 uv2[4] : TEXCOORD1;
		};		

		struct v2f_withBlurCoords {
			half4 pos : SV_POSITION;
			half2 uv2[4] : TEXCOORD0;
		};	
		
		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; 
		}

		v2f_withMaxCoords vertMax (appdata_img v)
		{
			v2f_withMaxCoords o;
			o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
        	o.uv = v.texcoord;
        	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);
			return o; 
		}			

		v2f_withBlurCoords vertBlurVertical (appdata_img v)
		{
			v2f_withBlurCoords o;
			o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
        	o.uv2[0] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, -1.5);			
			o.uv2[1] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, -0.5);	
			o.uv2[2] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, 0.5);	
			o.uv2[3] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.0, 1.5);	
			return o; 
		}	

		v2f_withBlurCoords vertBlurHorizontal (appdata_img v)
		{
			v2f_withBlurCoords o;
			o.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
        	o.uv2[0] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-1.5, 0.0);			
			o.uv2[1] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-0.5, 0.0);	
			o.uv2[2] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(0.5, 0.0);	
			o.uv2[3] = v.texcoord + _MainTex_TexelSize.xy * half2(1.5, 0.0);	
			return o; 
		}	
						
		fixed4 fragBloom ( v2f_simple i ) : COLOR
		{	
			fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
			return color + tex2D(_Bloom, i.uv.zw);
		} 
		
		fixed4 fragBloomWithColorMix ( v2f_simple i ) : COLOR
		{	
			fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);	
					
			half colorDistance = Luminance(abs(color.rgb-_ColorMix.rgb));
			color = lerp(color, _ColorMix, (_Parameter.x*colorDistance));
			color += tex2D(_Bloom, i.uv.zw);			
						
			return color;					
		} 
		
		fixed4 fragMaxWithPain ( v2f_withMaxCoords i ) : COLOR
		{				
			fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
			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 + half4(0.25,0,0,0) - ONE_MINUS_INTENSITY);
		} 
		
		fixed4 fragMax ( v2f_withMaxCoords i ) : COLOR
		{				
			fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv.xy);
			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);
		} 

		fixed4 fragBlurForFlares ( v2f_withBlurCoords i ) : COLOR
		{				
			fixed4 color = tex2D (_MainTex, i.uv2[0]);
			color += tex2D (_MainTex, i.uv2[1]);
			color += tex2D (_MainTex, i.uv2[2]);
			color += tex2D (_MainTex, i.uv2[3]);
			return color * 0.25;
		}
			
	ENDCG
	
	SubShader {
	  ZTest Always Cull Off ZWrite Off Blend Off
	  Fog { Mode off }  
	  
	// 0
	Pass {
		CGPROGRAM
		
		#pragma vertex vertBloom
		#pragma fragment fragBloom
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
		
		ENDCG
		}
	// 1
	Pass { 
		CGPROGRAM
		
		#pragma vertex vertMax
		#pragma fragment fragMax
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
		
		ENDCG	 
		}	
	// 2
	Pass {
		CGPROGRAM
		
		#pragma vertex vertBlurVertical
		#pragma fragment fragBlurForFlares
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
		
		ENDCG 
		}	
	// 3			
	Pass {
		CGPROGRAM
		
		#pragma vertex vertBlurHorizontal
		#pragma fragment fragBlurForFlares
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
		
		ENDCG
		}
	// 4			
	Pass {
		CGPROGRAM
		
		#pragma vertex vertBloom
		#pragma fragment fragBloomWithColorMix
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
		
		ENDCG
		}
	// 5			
	Pass {
		CGPROGRAM
		
		#pragma vertex vertMax
		#pragma fragment fragMaxWithPain
		#pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest 
		
		ENDCG
		}
	}
	FallBack Off
}

參考文献

官方样例AngryBots的链接地址：http://u3d.as/content/unity-technologies/angry-bots/5CF

《Unity Shaders and Effects Cookbook》的章节：

Chapter 10 Screen Effects with Unity Render Textures

Chapter 11 Gameplay and Screen Effects

[GPU Gems] Real-Time Glow：http://http.developer.nvidia.com/GPUGems/gpugems_ch21.html