剑英陪你玩转图形学 彩虹

Posted 2020-10-04

1.

今天的主题是颜色

开篇废话

今天看到蛮牛把干货区放上了主页，居然还能看到我的帖子，让我很不好意思。

各位同学对不起，我来晚了。

今天的李总是因为姓李，又总是迟到，所以叫做李总。

今天还是讲图形学，为人不识武藤....，骇骇，最近好像扫黄，不能说这个，大家都知道，关键是不搞软渲染，你就枉然了。软渲染我们上次已经玩过了，知道所以然，了解渲染是怎么一件事，目标就已经达到了。

渲染这条路上还有很多东西，今天我们到unity3d里面去玩。图形相关要聊的事情太多了，从头讲到做一个引擎出来，估计这个系列以后你可以和孩子一起看，我们用unity3d这个引擎，在他的基础上再继续去讲图形，还赶得上制造下一代。

首先开篇之前，先来检查一下作业。

请跟我一起问自己几个问题：

1. 怎么从模型到像素，我大概理解了吗？
2. 关于顶点和矩阵，我真的知其所以然了吗？
3. 空间与变换我理解了吗?

如果这几个问题还存在疑问，我建议你还是回到第一弹去再玩一遍，我不会告诉你所有的答案，但是我提供给你所有的关键字，你得自己补补课了。

记住，我们是一个高端业务（zhuangbi）技巧系列，我们理清楚关键思路，基础还得自己补。

快速提高班

现在教大家一些快速提高自己业务（zhuangbi）水平的方法。

要提高自己的业务水平，第二个要诀是：持。

持这个概念，没有忍那么好理解，你可以把他理解为选择，你要选择那些你有把握的地方去回答。

一旦出口，就是准确的。

这次不用模拟问答，因为你已经不会破功（ zhuangbi shibai）了。

今天使用Unity3D，我先告诉你一些Unity的小技巧，以后体现业务（zhuangbi）水平用得着。

首先， Unity可以简单的用两句话讲清楚

 

1.这个Hierarchy面板，他体现的是场景管理中的场景图概念。如果有必要，记住他的英文SceneGraph。

场景图是什么呢？说起来也很简单，就是把场景中的元素，以树的形式组织起来。看上面第二张图，什么都不用说了

2.场景图中的节点，在Unity中称为GameObject，GameObject上面可以挂接各种各样的Component

Unity主要的开发思想便是通过自定义脚本组件来进行开发

好了，Unity3D是怎么回事呢，Unity这玩意就是操作场景图，场景图节点上是一个组件模型，组件可以自定义脚本来编写。

记住这个，你也可以两句话把Unity3D讲透。

 

但是，我们在这里主要是讲图形，光透是不行的，我们还得分析Unity3D的渲染设计。

Unity3D的渲染设计呢，在顶点这个层面上是非常传统的三矩阵设计。

DirectX OpenGL 在固定管线时代就一直沿用这个设计，也是图形学里面搞了几十年的经典设计。

三矩阵是

世界矩阵、视矩阵、投影矩阵。

世界矩阵，就是表达模型在世界空间中的具体位置。对应到unity结构就是Transform. localToWorldMatrix.

由于场景图是有父子关系的，子物体的localToWorldMatrix,是子物体的localMatrix*父物体的worldMatrix得到。

Unity并没有直接提供localMatrix的结构，而是由一组localPositon localScale localRotate localRuleAngle 来描述。

总之他是表示位置的

视矩阵，决定摄像机的位置和方向，最后能看到什么东西。

投影矩阵，决定摄像机的视角，远近裁剪面这些东西，视矩阵和投影矩阵都有摄像机的位置和参数来决定。

这三个矩阵最终被合成为一个，共同决定顶点出现在屏幕上的位置。

 

好了，提高到这里就可以了，今天我们不深入这个话题。

计算机的颜色

今天专门来讲计算机的颜色，这个问题又浅又深，听我慢慢道来

RGB模型

R=Red，G=Green，B=Blue

三原色，这个东西大家都很熟悉，rgb模型是用亮度来表示的

0表示完全黑，1表示完全亮。

0,0,0 是黑色

1,1,1 是白色

0.5,0.5,0.5是灰色

0 和 1， 0表示没有，1 表示全部，这个表示法在计算机图形这块到处都是，你会慢慢体会到。

索引色，高彩色，真彩色

在早期的计算机处理能力还很低的时候，同屏幕显示很多颜色很困难，比如小霸王，只能显示16色。后来机能好一些了，可以显示256种颜色了。

16色效果

256色效果

在这个阶段都有调色板的设计，因为一个像素点就用了一个字节来表示，这个字节表示用的是第几种颜色。另外有一张色表，记录第几种颜色具体是什么颜色。时至今日，调色板依然健在，因为调色板具有一个很有趣的特性，一些2d游戏依然在使用。就是不改变图片，仅改变色表，就能产生不同的效果。

比如街霸2里面的可以选出不同颜色的角色，都是改调色板的结果。

为何如此吝啬，一个像素只用一个字节存？

试想盖子大神的名言，个人电脑只要640k内存就够了。可是一张1024 768的图片，256调色板，一个像素一字节，640k都放不下。时代在进步，盖子大神遥想当年，怕也得俨然一笑。

那个时代机能各方面都很捉襟见肘。小霸王的分辨率是256 240，只能同时使用16种颜色。后来进化到256色的机器本质还是调色板，原理一样。

 

后来机能提高到了一个新的高度。允许用更多的内存，更高的发色数。就产生了15bit颜色 16bit高彩色，24bit真彩色，30bit颜色等等。其中15bit是rgb各用5bit表示0-1怎么用5bit表示呢？5bit的最小值0表示0，5bit的最大值31表示1

颜色的表示法都是一样的，用这种表示法可以用任意位长表示rgb颜色。

15bit颜色就是 31，31，31 为白色

24bit颜色就是 255，255，255 为白色，24bit表示最为常用，所以很多小伙伴可能都比较熟悉这个255

30bit颜色就是 1023，1023，1023为白色。

而实际上15bit 每个原色分量只有 32个颜色，尤其以人眼为绿色最敏感，在绿色的表现上非常糟糕。

后来就以16bit更常用，16bit是不对称的，白色值为 31，63，31，对绿色专门进行了加强。

如下图就是24bit图片和16bit的对比，在细节观察时，还是能发现右边16bit的图片过渡较生硬，因为他只能表达出64中纯绿色

16bit颜色通常被称为高彩色。还是在那个内存寸土寸金的时代，16bit颜色在色彩表现上已经足够好。

所以还是流行了很长的一段时间。

 

再后来，内存已经不是问题，很多硬件甚至直接抛弃了16bit模式。

24bit被称为true color（真彩色），除了特别挑剔的眼睛，在照片显示上，已经很难看出颜色的跳跃过渡。

除非你专门搞一个绿色过渡图，盯着看，很难看出24bit的瑕疵。

但就是还有那么一些挑剔的人，觉得24bit毕竟过渡不算完美，就有了30bit，不过30bit至今任然是曲高和寡，仅在专业领域有所展露。

 

而我们常说的32bit颜色，并不是指发色数，而是24bit+8bit透明通道，32bit就是24bit。

颜色的数学意义

Rgb有基本的数学意义

Rgb三值差距越大，颜色的色彩越强烈，rgb三值差距越小，颜色的色彩越黯淡，这个叫做彩度。又叫饱和度。

Rgb三值数值越高，颜色越明亮，数值越小，颜色越昏暗，这个叫做亮度。

Rgb三值视为一个三角形，值越接近谁，颜色就越接近谁。这个叫色调。

由于RGB并不够直观，所以按照上面的数学意义，又建立了HSV色彩模型

无论你用何种绘图软件，你总能找到如上图中的调色器，他们都是基于同一个东西来设计的

就是HSV色彩模型的色调。

色调就是首先画一个三角形，RGB各作为一个点。然后越接近哪个点，就越接近哪个颜色。

看看上图中，除了把色环拉成一条线的那个，你都能找到一个RGB三角形

然后把三角形变成六角形，RG之间插入rg混出的黄色，以此类推。

可以用从三角形到圆型的任意形状表达色调。

颜色本来是难以捉摸的，诗人们，词人们都倾向于这样认为。从对彩虹的描写可见一斑。

我的世界从此以后多了一个你，有时天晴有时雨

颜色是难以捉摸的，那是以前，赤橙黄绿蓝靛紫，再看看色调，是不是发现，原来色调就是彩虹，彩虹就是色调。

然后再加上彩度，和亮度，HSV色彩模型可以表示成一个圆锥，越接近顶面中点彩度越低，越接近尖锥亮度越低。

 

HSV是一个直观模型，直观的东西意味着你不需要花力气去记什么东西，亮度、饱和度、色调这些东西都是直观可见的东西。

李总之前就告诉过各位，图形学里面，看得见摸得着的东西很多，都是土得掉渣的，不要被洋气的名字吓到了。

 

介绍这些东西是为了对RGB进行改变的时候知道你在干什么。

变化RGB的值

RGB的取值范围0~1，如果操作出了出界的值，就取边界

变化RGB的值是为了产生各种效果，为了保持直观，我们会在Unity里面编写Shader来说明。

首先我们一起来建立测试环境

 

新建场景，搞个quad。新建一个mat，新建一个shader，挂上去。

然后找两张色彩鲜艳，看着舒服的图片来测试

 

我把Shader简单修改了一下，不要怕Shader，我们第一弹已经告诉你，Shader，不过如此。

好现在把图片拖上去，这个Shader不受光照影响，会把图片原原本本的呈现出来

加法

RGB的加法，表示颜色的叠加，颜色越加越亮。

1. + (0，1，0）=（1，1，0） 红加绿等于黄

(0.5,0,0)+(0.7,0,0)=(1.2，0，0)=(1,0,0);两个暗红相加就是更亮的红色，超出1.0的就作为1.0，到顶了再加还是红色

对图片来说，加法会不规则的改变原来的颜色，有不协调感，像是加了一层上去。

一般只有光效才会采用加法混合，就是为了不协调。

我们先来做一个颜色叠加

调节AddColor参数的值，颜色就会被直接加到图片上，超过1的部分取边界，这个现象叫过曝，过分曝光，有的时候就会追求这个效果。

然后我们把两张图加到一起

很不协调，记得我们前面说过，只有光效适合叠加

换上光照图

乘法

RGB的乘法，表示对亮度的改变，对三个分量乘以相同的值，则三个分量一起变化亮度，色调不变。

对三个分量乘以不同的值，则三个分量分别变化，色调会改变。

对图片来说，图片乘以图片没有什么意义，一般采用图片乘以一个颜色值，可以表示对整个图片的亮度进行修改。

AlphaBlend

透明混合 是加法和乘法的组合运用。

NewColor =SrcColor*(1-Alpha)+Color*Alpha;

将底图的颜色根据当前图的（1-alpha）降低亮度

将当前图的颜色根据当前图的alpha 降低亮度，再合并到一起。

若alpha越低，底图的亮度降低的越少。若alpha越高，当前图的亮度降低的越少。

，先弄一张有Alpha通道的图片

去色

    去色就是把饱和度拉下来，让图片看起来是黑白的

我们前面讲过，rgb三分量差距越小，则饱和度越低，三分量相等，就是黑白的。

由于人眼对绿色最为敏感，所以有个简单的方法，让rgb全部都等于绿色的值。

 

对于色彩鲜艳的图片你完全可以这样做，不过这个方法有个缺陷，如果图片绿色成分太少，就会很糟糕。

 红色明亮的部分也都很昏暗,沙发和背景完全无法区分了

更准确的方式是按照人眼的敏感度求权出亮度

好了，我们已经说明了几种最常用的变化方式和他的意义，记住。

做图形，最重要的是空间想象（脑补）能力

 

再会。

 

未完持续