Unity Shader 屏幕后处理-基于法线和深度纹理的边缘检测

资源大湿 · 发表于 2021-3-24 18:44

Unity Shader系列文章：Unity Shader目录-初级篇

Unity Shader系列文章：Unity Shader目录-中级篇

效果：

左图：在原图上描边的效果。右图：只显示描边的效果

左图：原效果。右图：直接对颜色图像进行边缘检测的结果

原理：

使用Roberts 算子进行边缘检测，Roberts 算子的本质就是计算左上角和右下角的差值，乘以右上角和左下角的差值，作为评估边缘的依据。按这样的方式，取对角方向的深度或法线值，比较它们之间的差值，如果超过某个阙值（可由参数控制），就认为它们之间存在一条边。

Roberts 算子

ScreenPostEffectsBase基类代码：
using UnityEngine;/// <summary>/// 屏幕后处理效果基类/// </summary>[ExecuteInEditMode][RequireComponent(typeof(Camera))]public class ScreenPostEffectsBase : MonoBehaviour{ public Shader Shader; public Material Material {       get       {          return CheckAndCreateMaterial();       } } private Material _material; protected void Start() {       CheckResources(); } /// <summary> /// 检查资源 /// </summary> protected void CheckResources() {       if (!CheckSupport())       {          NotSupported();       } } /// <summary> /// 检查支持 /// </summary> /// <returns></returns> protected bool CheckSupport() {       bool isSupported = SystemInfo.supportsImageEffects;       return isSupported; } /// <summary> /// 不支持 /// </summary> protected void NotSupported() {       enabled = false; } /// <summary> /// 检查和创建Material /// </summary> /// <returns></returns> protected Material CheckAndCreateMaterial() {       if (!Shader || !Shader.isSupported)       {          return null;       }       if (_material && _material.shader == Shader)       {          return _material;       }       _material = new Material(Shader);       _material.hideFlags = HideFlags.DontSave;       return _material; }}
ScreenEdgeDetectNormalsAndDepth派生类代码：
using UnityEngine;/// <summary>// 屏幕后处理-基于法线和深度纹理的边缘检测/// </summary>public class ScreenEdgeDetectNormalsAndDepth : ScreenPostEffectsBase{ [Range(0.0f, 1.0f)] public float EdgesOnly = 0.0f; public Color EdgeColor = Color.black; // 边缘颜色 public Color BackgroundColor = Color.white; // 背景颜色 public float SampleDistance = 1.0f; // 控制对深度＋法线纹理采样时，使用的采样距离。值越大，描边越宽 public float SensitivityDepth = 1.0f; // 深度敏感度，影响当邻域的深度值相差多少时，会被认为存在一条边界 public float SensitivityNormals = 1.0f; // 法线敏感度，影响当邻域的法线值相差多少时，会被认为存在一条边界 private void OnEnable() {       // 要获取摄像机的深度＋法线纹理       GetComponent<Camera>().depthTextureMode |= DepthTextureMode.DepthNormals; } // ImageEffectOpaque含义： // 在默认情况下 OnRenderlmage 函数会所有的不透明和透明的 Pass 执行完毕后被调用， // 前添加 ImageEffectOpaque 属性后，可以在不透明 Pass (即渲染队列小于等于 500 Pass, 内置的 Background Geometry AlphaTest 渲染队列均在此范围内） // 执行完毕后立即调用该函数，而不对透明物体（渲染队列为 Transparent Pass 产生影响， [ImageEffectOpaque] private void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest) {       if (Material != null)       {          Material.SetFloat("_EdgeOnly", EdgesOnly);          Material.SetColor("_EdgeColor", EdgeColor);          Material.SetColor("_BackgroundColor", BackgroundColor);          Material.SetFloat("_SampleDistance", SampleDistance);          Material.SetVector("_Sensitivity", new Vector4(SensitivityNormals, SensitivityDepth, 0.0f, 0.0f));          Graphics.Blit(src, dest, Material);       }       else       {          Graphics.Blit(src, dest);       } }}
shander代码：
// 屏幕后处理-基于法线和深度纹理的边缘检测Shader "Custom/EdgeDetectNormalsAndDepth"{ Properties {       _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" { }       _EdgeOnly ("Edge Only", Float) = 1.0       _EdgeColor ("Edge Color", Color) = (0, 0, 0, 1)       _BackgroundColor ("Background Color", Color) = (1, 1, 1, 1)       _SampleDistance ("Sample Distance", Float) = 1.0       _Sensitivity ("Sensitivity", Vector) = (1, 1, 1, 1) } SubShader {       CGINCLUDE             #include "UnityCG.cginc"             sampler2D _MainTex;       half4 _MainTex_TexelSize;       fixed _EdgeOnly;       fixed4 _EdgeColor;       fixed4 _BackgroundColor;       float _SampleDistance;       half4 _Sensitivity;             sampler2D _CameraDepthNormalsTexture; // 深度＋法线纹理             struct v2f       {          float4 pos: SV_POSITION;          half2 uv[5]: TEXCOORD0;       };             v2f vert(appdata_img v)       {          v2f o;          o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);                      half2 uv = v.texcoord;          o.uv[0] = uv;                      // 下面要对这个纹理坐标进行平台差异化处理，因为OpenGL，(0, 0)点对应了屏幕的左下角，DirectX中对应了屏幕左上角          // 大多数时候这都无关紧要，除了渲染到渲染纹理时。在此情况下，Unity 渲染到 Direct3D 上的纹理时，会自动在内部翻转渲染，以便平台之间的惯例匹配。          // 如果我们做的屏幕后期特效简单（一次处理一个纹理），这无关紧要，因为 Graphics.Blit 方法会自动进行处理。          // 然而，如果在屏幕后期特效中同时处理一个以上的 RenderTexture，它们很可能会在不同的垂直方向出现（仅在类似 Direct3D 的平台上，并且仅在使用抗锯齿选项时）                      // UNITY_UV_STARTS_AT_TOP，纹理的坐标系原点在纹理顶部的平台上值：Direct3D类似平台是1；OpenGL类似平台是0          #if UNITY_UV_STARTS_AT_TOP             // 在Direct3D平台下，如果我们开启了抗锯齿，则xxx_TexelSize.y 会变成负值，好让我们能够正确的进行采样。             // 所以if (_MainTex_TexelSize.y < 0)的作用就是判断我们当前是否开启了抗锯齿。             if (_MainTex_TexelSize.y < 0)                   uv.y = 1 - uv.y;          #endif                      // 存储了使用 Roberts 算子时需要采样的纹理坐标          o.uv[1] = uv + _MainTex_TexelSize.xy * half2(1, 1) * _SampleDistance;          o.uv[2] = uv + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-1, -1) * _SampleDistance;          o.uv[3] = uv + _MainTex_TexelSize.xy * half2(-1, 1) * _SampleDistance;          o.uv[4] = uv + _MainTex_TexelSize.xy * half2(1, -1) * _SampleDistance;                      return o;       }             // 计算对角线上两个纹理值的差值，返回0表明这两点之间存在一条边界，反之则返回1       half CheckSame(half4 center, half4 sample)       {          // 获取两个采样点的法线和深度值          // 这里并没有解码得到真正的法线值而是直接使用了 xy 分量，是因为只需要比较两个采样值之间的差异度，          // 而并不需要知道它们真正的法线值。          half2 centerNormal = center.xy;          float centerDepth = DecodeFloatRG(center.zw);          half2 sampleNormal = sample.xy;          float sampleDepth = DecodeFloatRG(sample.zw);                      // 把两个采样点的对应值相减并取绝对值，再乘以灵敏度参数，把差异值的每个分量相加再和一个阙值比较，          // 如果它们的和小于阈值，则返回1, 说明差异不明显，不存在一条边界；否则返回0，说明存在一条边界。          half2 diffNormal = abs(centerNormal - sampleNormal) * _Sensitivity.x;          int isSameNormal = (diffNormal.x + diffNormal.y) < 0.1;          float diffDepth = abs(centerDepth - sampleDepth) * _Sensitivity.y;          int isSameDepth = diffDepth < 0.1 * centerDepth;                      // 最后，把法线和深度的检查结果相乘，作为组合后的返回值。          return isSameNormal * isSameDepth ? 1.0: 0.0;       }       fixed4 fragRobertsCrossDepthAndNormal(v2f i): SV_Target       {          half4 sample1 = tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv[1]);          half4 sample2 = tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv[2]);          half4 sample3 = tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv[3]);          half4 sample4 = tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv[4]);                      half edge = 1.0;                      edge *= CheckSame(sample1, sample2);          edge *= CheckSame(sample3, sample4);                      fixed4 withEdgeColor = lerp(_EdgeColor, tex2D(_MainTex, i.uv[0]), edge);          fixed4 onlyEdgeColor = lerp(_EdgeColor, _BackgroundColor, edge);                      return lerp(withEdgeColor, onlyEdgeColor, _EdgeOnly);       }       ENDCG       Pass       {          ZTest Always Cull Off ZWrite Off          CGPROGRAM          #pragma vertex vert          #pragma fragment fragRobertsCrossDepthAndNormal          ENDCG       } } Fallback Off}

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