一、前言
我们之前已经介绍了一种几何过程式描边方法了。几何过程式描边可以很好的为不同模型设置不同的描边参数(描边颜色,宽度等等),不过也正是如此,要为每个模型都额外渲染一遍描边模型,性能上花费比较多。而有另外一种描边方法就是基于屏幕图像后处理描边方法,它只需要对一张屏幕图像进行边缘检测,无论模型多么复杂,计算量也是恒定的,也就节省了性能开销。
屏幕图形后处理比较常见的是在渲染的最后的阶段,拿到屏幕已经渲染的结果(一张 2D 图像),再对其进行图像处理,这也是“后处理”的这个名字来源。不过这样一来对整一张屏幕图像进行处理,有些地方我们不太希望被处理的地方也会被“误操作”了。比如在下图《英雄联盟(LOL)》游戏里,我们只想对英雄与小兵进行描边,而场景背景保持不变。那我们该怎么办呢?
没错,这时又需要请出我们的 Stencil Test 啦![1]
注意因为这是 Stencil
系列的文章,对于涉及到的屏幕后处理和图像边缘检测算法,不会太过于全面地介绍的相关知识。如果大家有看不太懂的地方,可能需要去查找一些屏幕后处理相关的资料了。
二、实现思路
我们主要思路是:首先让所有需要描边的物体在渲染的时候,将 Stencil 参考值写入 Stencil Buffer 中。全部写入完成之后,我们就把 Stencil Buffer 提取出来转换成一直图像,并使得图像上只有 Stencil 值的地方有颜色。然后把这张图像传入屏幕后处理所用自定义提取 Shader 中,根据 Sobel 边缘检测算法对其边缘检测,检测出边缘后与原屏幕图像进行叠加就完成了。
我们再来分析一下其中的技术细节。
1、对于 Stencil
参考值写入用一个 Stencil
指令就 ok 了。
2、将 Stencil Buffer 提取并转换成图像。我们需要借助一张渲染纹理 RenderTexture [2],渲染纹理这个名字和“渲染到纹理”技术相关。通常渲染结果都是直接输出到屏幕窗口帧缓冲中,而渲染到纹理技术,可以把渲染结果渲染到一张纹理中(即渲染纹理)。这也是屏幕后处理的核心技术。
通常需要借助 Graphics.Blit (Texture source, RenderTexture dest,Material mat) 函数将屏幕渲染结果通过某个材质的 Shader 处理后搬运到目标渲染纹理中,其中 Blit
函数会把 source
设置为材质的 Shader 中的 _MainTex
。而这个 Shader 就是我们提取 StencilBuffer 为图像的关键。我们可以对屏幕图像里每一个像素检测 Stencil 值,如果相等就渲染一个固定颜色(比如白色 RBGA(1,1,1,1)
),否者就不进行任何渲染(RBGA(0,0,0,0)
),由此渲染到一张渲染纹理中就完成对 StencilBuffer 提取转换图像 [3]。
3、 Sobel 边缘检测算法。边缘检测的目的是标识数字图像中亮度变化明显的点,即对图像用 Soebl 卷积核进行卷积运算 [4]。A
代表原始图像,Gx
和 Gy
分别代表经横向及纵向边缘检测的图像,通过以上公式就可以分别计算出横向 和 纵向 的梯度值,即 Gx
和 Gy
,梯度值越大,边缘就越明显。
三、具体实现
首先建一个场景,放一个可爱的小兔子 bunny 还有一个立方体 cube,并使 bunny 的材质 Shader 中写入 Stencil
参考值 2
,但 cube 不写入参考值。
然后创建后处理 StencilOutlinePostProcessing.cs 脚本。
在脚本里我们声明两个材质,一个用于后处理提取 Stencil
并转换为图像的材质 StencilProcessMat ,一个用于后处理边缘检测的描边材质 OutlinePostProcessByStencilMat ;
还有两个渲染纹理,一个用于承接屏幕渲染结果图像的 cameraRenderTexture ,一个用于承接颜色图像形式 StencilBuffer
的 stencilBufferToColor 。
using System.Collections; using System.Collections.Generic; using UnityEngine; public class StencilOutlinePostProcessing : MonoBehaviour { //用于后处理描边的材质 public Material OutlinePostProcessByStencilMat; //用于提取出纯颜色形式的 StencilBuffer 的材质 public Material StencilProcessMat; //屏幕图像的渲染纹理 private RenderTexture cameraRenderTexture; //纯颜色形式的 StencilBuffer private RenderTexture stencilBufferToColor; private Camera mainCamera; }
然后,就是初始化部分,两个渲染纹理都设置为一个深度缓冲区中的位数是 24 位的渲染纹理,(可选 0,16,24;但只有 24 位具有模板缓冲区),是因为 24 位缓冲区里包括了 16 为的深度缓冲 depthBuffer
,和 8 位的模板缓冲 stencilBuffer
。并且对用于边缘检测的 OutlinePostProcessByStencilMat 材质传入了 stencilBufferToColor 即后面用来承载颜色图像形式的 StencilBuffer
渲染纹理。
void Start() { mainCamera = GameObject.FindWithTag("MainCamera").GetComponent<Camera>(); //创建一个深度缓冲区中的位数是 24 位的渲染纹理,(可选 0,16,24;但只有 24 位具有模板缓冲区) cameraRenderTexture = new RenderTexture(Screen.width,Screen.height,24); //因为无法直接获得 Stencil Buffer, //将 renderTexture 中的被 Stencil 标记的像素转换成一张纯颜色的渲染纹理 stencilBufferToColor = new RenderTexture(Screen.width,Screen.height,24); OutlinePostProcessByStencilMat.SetTexture("_StencilBufferToColor",stencilBufferToColor); }
然后脚本的后处理部分。这里要特别注意一下,通常情况后处理下都是在 void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest) 函数 内操作的,不过经过实验和资料查询 [5],在调用 OnRenderImage
之前,就已经把 src
中的 Stencil buffer 清除掉了。这真是一个致命伤啊...那我们该怎么办呢?
我们来看看 Unity 生命周期的 Scene rendering 渲染阶段 [6]
在 OnRenderImage 函数前还有 OnPostRender 函数,那我们的逻辑可以放到 OnPostRender 函数里,从而实现屏幕后处理效果。还要注意一点的是 OnPostRender 函数是没有参数的,即意味着我们要自己去获得屏幕图像。而 OnPreRender 函数在照相机开始渲染场景之前调用,我们可以在 OnPreRender 中就设置摄像机渲染的屏幕图像目标是我们设定创建的 cameraRenderTexture 。
好的,接下来就是我们的后处理部分代码。
void OnPreRender() { //将摄像机的渲染结果传到 cameraRenderTexture 中 mainCamera.targetTexture = cameraRenderTexture; } void OnPostRender() { //null 意味着 camera 渲染结果直接交付给 FramBuffer mainCamera.targetTexture = null; //设置 Graphics 的渲染操作目标为 stencilBufferToColor //即 Graphics 的 activeColorBuffer 和 activeDepthBuffer 都是 stencilBufferToColor 里的 Graphics.SetRenderTarget(stencilBufferToColor); //清除 stencilBufferToColor 里的颜色和深度缓冲区内容,并设置默认颜色为(0,0,0,0) GL.Clear(true,true,new Color(0,0,0,0)); //设置 Graphics 的渲染操作目标 //即 Graphics 的 activeColorBuffer 是 stencilBufferToColor 的 ColorBuffer //Graphics 的 activeDepthBuffer 是 cameraRenderTexture 的 depthBuffer Graphics.SetRenderTarget(stencilBufferToColor.colorBuffer,cameraRenderTexture.depthBuffer); //提取出纯颜色形式的 StencilBuffer: //将 cameraRenderTexture 通过 StencilProcessMat 材质提取出到 Graphics.activeColorBuffer //即提取到 stencilBufferToColor 中 Graphics.Blit(cameraRenderTexture,StencilProcessMat); //将 cameraRenderTexture 通过 OutlinePostProcessMat 材质 //并与材质中的 _StencilBufferToColor 进行边缘检测操作 //最后输出到 FrameBuffer(null 意味着直接交付给 FramBuffer) Graphics.Blit(cameraRenderTexture,null as RenderTexture,OutlinePostProcessByStencilMat); }
在 OnPreRender
中我们设置了摄像机的渲染目标纹理。
而后处理的重点在 OnPostRender 中,首先我们把 Graphics
的渲染激活操作目标为 stencilBufferToColor ,并清除 stencilBufferToColor
里的颜色和深度缓冲区内容,并设置默认颜色为 RGBA(0,0,0,0)
。随后又设置 Graphics
的激活操作目标,写入 color
的目标是 stencilBufferToColor.colorBuffer ,测试使用的 depth buffer 的数据来源是 cameraRenderTexture.depthBuffer 。
接下来就是提取出纯颜色形式的 StencilBuffer
了,用 Blit
函数将 cameraRenderTexture 通过 StencilProcessMat 模板测试材质把 StencilBuffer
提取出到 stencilBufferToColor.colorBuffe r 中。
StencilProcessMat 的作用就是对 cameraRenderTexture.depthBuffer 进行模板测试 Stencil Test,如果相等才写入我们自定义的 _StencilColor 颜色 (白色),否者为 RGBA(0,0,0,0)
。
StencilProcessMat 的代码如下:
Shader "Unlit/StencilProcess" { Properties { _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} _StencilColor("StencilBuffer Color",Color)=(1,1,1,1) _RefValue("Ref Value",Int)=2 } SubShader { Stencil{ Ref [_RefValue] Comp Equal } Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct appdata { float4 vertex : POSITION; }; struct v2f { float4 vertex : SV_POSITION; }; sampler2D _MainTex; fixed4 _StencilColor; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { return _StencilColor; } ENDCG } } }
我们在 Frame Debugger 中可以查看到这个颜色图像形式的 StencilBuffer
:
随后就到边缘检测和原图像叠加了,将 cameraRenderTexture 通过 OutlinePostProcessMat 材质处理,并与材质中的 _StencilBufferToColor 进行边缘检测操作。
//将 cameraRenderTexture 通过 OutlinePostProcessMat 材质 //并与材质中的 _StencilBufferToColor 进行边缘检测操作 //最后输出到 FrameBuffer(null 意味着直接交付给 FramBuffer) Graphics.Blit(cameraRenderTexture,null as RenderTexture,OutlinePostProcessByStencilMat);
用于边缘检测和原屏幕图像叠加的 OutlinePostProcessMat 材质 Shader 代码如下:
Shader "Unlit/OutlinePostProcessByStencil" { Properties { _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} _EdgeColor("Edge Color",Color)= (1,1,1,1) } SubShader { ZTest Always Cull Off ZWrite Off Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct v2f { float2 uv[9] : TEXCOORD0; float4 pos : SV_POSITION; }; sampler2D _MainTex; sampler2D _StencilBufferToColor; float4 _StencilBufferToColor_TexelSize; float4 _EdgeColor; v2f vert (appdata_img v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); half2 uv = v.texcoord; o.uv[0] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(-1, -1); o.uv[1] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(0, -1); o.uv[2] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(1, -1); o.uv[3] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(-1, 0); o.uv[4] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(0, 0); o.uv[5] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(1, 0); o.uv[6] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(-1, 1); o.uv[7] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(0, 1); o.uv[8] = uv + _StencilBufferToColor_TexelSize.xy * half2(1, 1); return o; } float SobelEdge(v2f i){ const half Gx[9] = {-1, 0, 1, -2, 0, 2, -1, 0, 1}; const half Gy[9] = {-1, -2, -1, 0, 0, 0, 1, 2, 1}; float edge = 0; float edgeY = 0; float edgeX = 0; float luminance =0; for(int it=0; it<9; it++){ luminance = tex2D(_StencilBufferToColor,i.uv[it]).a; edgeX += luminance*Gx[it]; edgeY += luminance*Gy[it]; } edge = 1 - abs(edgeX) - abs(edgeY); return edge; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { fixed4 sourceColor = tex2D(_MainTex, i.uv[4]); float edge = SobelEdge(i); return lerp(_EdgeColor,sourceColor,edge); } ENDCG } } }
在 Shader 最后根据边缘检测出来的 edge ,对原图像和边缘描边颜色进行插值,我们就搞定了。
四、其他效果展示
如果我们让 cube 的材质 Shader 也写入 Stencil
值,并且是和小兔子 bunny 的 Stencil
值不同(比如是 1
),但用于 StencilBuffer
提取的材质 Shader 还是用和 bunny 相同的 2
进行模板测试的话,提取出来的颜色图像形式的 StencilBuffer
长这样:
描边效果长这样:
为啥会这样?有知道的同学欢迎在评论区留言噢~~(看看能钓到多少活鱼儿)
五、下一章预告
Stencil 后处理原理的传送门视觉效果!!!
参考资料和引用
[1] 《英雄联盟 LoL》中后备的小兵英雄后处理 Stencil 描边方法
[3] 乐园:利用 StencilBuffer 实现局部后处理描边
[6] Unity 生命周期的 Scene rendering 渲染阶段
其他比较杂的,算是收集资料的时候顺带补充了知识
- 有讲到 depth/stencil buffer 的关系
- CommandBuffer.Blit() isn't stencil buffer friendly
- 有讲到 Graphics 的 activeXXXBuffer 和 SetRenderTarget 用法
- 口袋妖怪 X/Y 制作技法
- Unity 后处理 性能优化
结尾碎碎念
啊,这篇好长,写了两天好久。看了一下之前的文章排版也是惨不忍睹,瞎琢磨了一下下排版(感觉还行吧。。吧)。希望到时候投稿不用麻烦小编操心改排版就好了。
后续可能做做其他系列 Shader 文章,但也不一定,有可能是零碎的 Shader 效果。
临近学期末,作业也越来越多,当初定下一星期一篇真是越来越难了/(ㄒoㄒ)/~~(咕咕咕
很棒的!学习啦!谢谢
@Matata:谢谢支持~~
写的非常好,赞!