Unity Shader-后处理：Bloom全屏泛光

今天来学习一下Bloom效果，Bloom效果有时候也叫Glow效果，中文一般叫做“全屏泛光”，这是一种可以模拟出HDR的全屏后处理效果，但是实现原理与HDR相差很远，效果比HDR差一些，但是比HDR的性能要节省很多。

这里不得不提一下传说中的HDR，从接触引擎开始，就一群大牛们经常讨论到这个词，然而作为一个新手，一直对这个传说中的技术抱着“敬畏”的态度，不过如今逐渐熟悉了一些渲染相关的东西，贱贱地，也没有那么害怕这个技术了。今天就来学习一下HDR，不过HDR不是这篇文章的主角，所以只是简要介绍。

HDR（High Dynamic Range），翻译过来就是高动态范围。所谓High，指的是亮度的范围更高。我们知道，正常屏幕上一个像素是由RGB三原色组成的，每个通道用八位二进制表示，也就是0-255，转化为16进制，就是白色为0xFFFFFF，黑色为0x000000。而真实世界的亮度的最大值远远比屏幕能够显示的亮度大，比如太阳的亮度会是我们屏幕亮度的几万倍，而我们的虽然不能识别这样广范围的亮度，但是屏幕上的亮度范围是远远不能表达真实世界的亮度分布的。假设我们真实世界的亮度是0-10000，那么这个就是我们所谓的High，比我们屏幕上的亮度范围要高。如果不使用HDR，就会出现场景中大块的亮或者暗，造成场景对比度不明显，影响画面效果。

要怎样用有限的亮度分布模拟更高范围的亮度分布，就是HDR在做的事情。实现这样的功能的技术叫做ToneMapping，据不官方翻译，叫做色调映射技术。这种技术会让画面对比度更加柔和，将高的亮度范围更加平滑地缩放到0-255这一低光照范围，主要运用的原理是局部适应性。我们人眼，在比较暗的地方，原来也能看清楚东西，但是如果突然到了一个比较亮的地方，我们会什么都看不清，需要矫正一会儿才能适应当前的亮度水平，之前玩过一小阵子CryEngine3，默认是开启这种效果的，感觉还是屌屌的。关于ToneMapping技术的原理，可以参考这篇文章和这篇文章，还有这篇屌炸天的论文，这里就不过多介绍了。

这篇文章的主题并不是HDR，而是Bloom。Bloom可以模拟出HDR的效果，但是原理上和HDR相差甚远。HDR实际上是通过映射技术，来达到整体调整全局亮度属性的，这种调整是颜色，强度等都可以进行调整，而Bloom仅仅是能够将光照范围调高达到过饱和，也就是让亮的地方更亮。不过Bloom效果实现起来简单，性能消耗也小，却可以达到不错的效果。关于HDR和Bloom之间的差别，可以参考这篇文章。

这里介绍一下Bloom的实现原理，其实比较简单，首先我们需要设置一个我们要泛光的亮度阈值，第一遍处理时，我们需要对原场景图进行筛选，所有小于这个阈值的像素都被筛掉，所有大于该值的像素留下来，这样，我们就得到了一张只包含需要泛光部分的贴图，其余部分是黑色的；泛光效果是由衍射效果产生的，我们现实世界中看到的泛光效果，最亮的地方实际上是会向暗的地方扩散的，也就是说在亮的地方，边界是不明显的，所以我们就需要对泛光是部分，也就是我们上一步操作的结果图片进行模糊操作，达到光溢出的效果，最后，我们将处理过的图像和原图像进行叠加，就得到了最终的效果。老外有篇文章写得比较好，这里我把这张图借来用用：

在DX上直接实现Bloom的可以参照这篇文章

c#部分：

using UnityEngine;
using System.Collections;

[ExecuteInEditMode]
public class BloomEffect : PostEffectBase
{
    //分辨率
    public int downSample = 1;
    //采样率
    public int samplerScale = 1;
    //高亮部分提取阈值
    public Color colorThreshold = Color.gray;
    //Bloom泛光颜色
    public Color bloomColor = Color.white;
    //Bloom权值
    [Range(0.0f, 1.0f)]
    public float bloomFactor = 0.5f;

    void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination)
    {
        if (_Material)
        {
            //申请两块RT，并且分辨率按照downSameple降低
            RenderTexture temp1 = RenderTexture.GetTemporary(source.width >> downSample, source.height >> downSample, 0, source.format);
            RenderTexture temp2 = RenderTexture.GetTemporary(source.width >> downSample, source.height >> downSample, 0, source.format);

            //直接将场景图拷贝到低分辨率的RT上达到降分辨率的效果
            Graphics.Blit(source, temp1);
         

            //根据阈值提取高亮部分,使用pass0进行高亮提取
            _Material.SetVector("_colorThreshold", colorThreshold);
            Graphics.Blit(temp1, temp2, _Material, 0);

            //高斯模糊，两次模糊，横向纵向，使用pass1进行高斯模糊
            _Material.SetVector("_offsets", new Vector4(0, samplerScale, 0, 0));
            Graphics.Blit(temp2, temp1, _Material, 1);
            _Material.SetVector("_offsets", new Vector4(samplerScale, 0, 0, 0));
            Graphics.Blit(temp1, temp2, _Material, 1);

            //Bloom，将模糊后的图作为Material的Blur图参数
            _Material.SetTexture("_BlurTex", temp2);
            _Material.SetVector("_bloomColor", bloomColor);
            _Material.SetFloat("_bloomFactor", bloomFactor);

            //使用pass2进行景深效果计算，清晰场景图直接从source输入到shader的_MainTex中
            Graphics.Blit(source, destination, _Material, 2);

            //释放申请的RT
            RenderTexture.ReleaseTemporary(temp1);
            RenderTexture.ReleaseTemporary(temp2);
        }
    }
}

shader部分：

Shader "Custom/BloomEffect" {

	Properties{
		_MainTex("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
		_BlurTex("Blur", 2D) = "white"{}
	}

	CGINCLUDE
	#include "UnityCG.cginc"
	
	//用于阈值提取高亮部分
	struct v2f_threshold
	{
		float4 pos : SV_POSITION;
		float2 uv : TEXCOORD0;
	};

	//用于blur
	struct v2f_blur
	{
		float4 pos : SV_POSITION;
		float2 uv  : TEXCOORD0;
		float4 uv01 : TEXCOORD1;
		float4 uv23 : TEXCOORD2;
		float4 uv45 : TEXCOORD3;
	};

	//用于bloom
	struct v2f_bloom
	{
		float4 pos : SV_POSITION;
		float2 uv  : TEXCOORD0;
		float2 uv1 : TEXCOORD1;
	};

	sampler2D _MainTex;
	float4 _MainTex_TexelSize;
	sampler2D _BlurTex;
	float4 _BlurTex_TexelSize;
	float4 _offsets;
	float4 _colorThreshold;
	float4 _bloomColor;
	float _bloomFactor;

	//高亮部分提取shader
	v2f_threshold vert_threshold(appdata_img v)
	{
		v2f_threshold o;
		o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
		o.uv = v.texcoord.xy;
		//dx中纹理从左上角为初始坐标，需要反向
#if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP
		if (_MainTex_TexelSize.y < 0)
			o.uv.y = 1 - o.uv.y;
#endif	
		return o;
	}

	fixed4 frag_threshold(v2f_threshold i) : SV_Target
	{
		fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
		//仅当color大于设置的阈值的时候才输出
		return saturate(color - _colorThreshold);
	}

	//高斯模糊 vert shader（上一篇文章有详细注释）
	v2f_blur vert_blur(appdata_img v)
	{
		v2f_blur o;
		_offsets *= _MainTex_TexelSize.xyxy;
		o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
		o.uv = v.texcoord.xy;

		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;
		o.uv45 = v.texcoord.xyxy + _offsets.xyxy * float4(1, 1, -1, -1) * 3.0;

		return o;
	}

	//高斯模糊 pixel shader（上一篇文章有详细注释）
	fixed4 frag_blur(v2f_blur i) : SV_Target
	{
		fixed4 color = fixed4(0,0,0,0);
		color += 0.40 * tex2D(_MainTex, i.uv);
		color += 0.15 * tex2D(_MainTex, i.uv01.xy);
		color += 0.15 * tex2D(_MainTex, i.uv01.zw);
		color += 0.10 * tex2D(_MainTex, i.uv23.xy);
		color += 0.10 * tex2D(_MainTex, i.uv23.zw);
		color += 0.05 * tex2D(_MainTex, i.uv45.xy);
		color += 0.05 * tex2D(_MainTex, i.uv45.zw);
		return color;
	}

		//Bloom效果 vertex shader
	v2f_bloom vert_bloom(appdata_img v)
	{
		v2f_bloom o;
		//mvp矩阵变换
		o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
		//uv坐标传递
		o.uv.xy = v.texcoord.xy;
		o.uv1.xy = o.uv.xy;
#if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP
		if (_MainTex_TexelSize.y < 0)
			o.uv.y = 1 - o.uv.y;
#endif	
		return o;
	}

	fixed4 frag_bloom(v2f_bloom i) : SV_Target
	{
		//取原始清晰图片进行uv采样
		fixed4 ori = tex2D(_MainTex, i.uv1);
		//取模糊普片进行uv采样
		fixed4 blur = tex2D(_BlurTex, i.uv);
		//输出= 原始图像，叠加bloom权值*bloom颜色*泛光颜色
		fixed4 final = ori + _bloomFactor * blur * _bloomColor;
		return final;
	}

		ENDCG

	SubShader
	{
		//pass 0: 提取高亮部分
		Pass
		{
			ZTest Off
			Cull Off
			ZWrite Off
			Fog{ Mode Off }

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert_threshold
			#pragma fragment frag_threshold
			ENDCG
		}

		//pass 1: 高斯模糊
		Pass
		{
			ZTest Off
			Cull Off
			ZWrite Off
			Fog{ Mode Off }

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert_blur
			#pragma fragment frag_blur
			ENDCG
		}

		//pass 2: Bloom效果
		Pass
		{

			ZTest Off
			Cull Off
			ZWrite Off
			Fog{ Mode Off }

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert_bloom
			#pragma fragment frag_bloom
			ENDCG
		}

	}
}

注：PostEffectBase类是后处理类的基类，在前面的文章已有详细介绍，这里不再贴出。

原始图片效果：

开启Bloom效果，过滤阈值设为灰色（128,128,128），泛光颜色为白色（256,256,256），泛光权重为1：

开启Bloom效果，过滤阈值设为灰色（0,0,0），泛光颜色为白色（256,256,256），泛光权重为1，一种过度曝光的效果：

开启Bloom效果，过滤阈值设为灰色（0,0,0），泛光颜色为绿色（0,256,0），泛光权重为1，夜视仪效果：