Unity Shader后处理中如何实现简单均值模糊

引言

在游戏开发中，后处理效果是提升画面质量的重要手段之一。其中，模糊效果常用于模拟景深、运动模糊、镜头光晕等视觉效果。本文将详细介绍如何在Unity中使用Shader实现简单的均值模糊效果。

1. 后处理基础

1.1 什么是后处理？

后处理（Post-processing）是指在渲染完整个场景后，对最终图像进行额外的处理。常见的后处理效果包括：模糊、色彩校正、抗锯齿、景深、运动模糊等。

1.2 Unity中的后处理

Unity提供了多种方式来实现后处理效果，其中最常用的是通过编写自定义的Shader来实现。Unity的后处理通常通过OnRenderImage函数来实现，该函数会在渲染完场景后调用，允许我们对最终的图像进行处理。

2. 均值模糊的原理

2.1 什么是均值模糊？

均值模糊（Mean Blur）是一种简单的图像模糊算法，其基本思想是对图像中的每个像素，取其周围像素的平均值来替代当前像素的值。通过这种方式，图像中的高频细节会被平滑掉，从而达到模糊的效果。

2.2 均值模糊的数学表达

假设我们有一个图像I，其大小为W x H，我们希望对图像进行均值模糊。对于图像中的每个像素(x, y)，我们取其周围N x N的像素区域，计算这些像素的平均值，并将其赋值给(x, y)。

数学表达式如下：

[ I{blur}(x, y) = \frac{1}{N^2} \sum{i=-k}^{k} \sum_{j=-k}^{k} I(x+i, y+j) ]

其中，k = (N-1)/2，N为模糊核的大小。

3. 实现均值模糊的Shader

3.1 创建后处理脚本

首先，我们需要创建一个C#脚本来处理后处理效果。这个脚本将负责调用我们的Shader，并将处理后的图像渲染到屏幕上。

using UnityEngine;

[ExecuteInEditMode]
public class MeanBlurEffect : MonoBehaviour
{
    public Material blurMaterial;

    void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
    {
        if (blurMaterial != null)
        {
            Graphics.Blit(src, dest, blurMaterial);
        }
        else
        {
            Graphics.Blit(src, dest);
        }
    }
}

3.2 创建Shader

接下来，我们需要创建一个Shader来实现均值模糊效果。我们将使用Unity的ShaderLab语言来编写这个Shader。

Shader "Custom/MeanBlur"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _BlurSize ("Blur Size", Float) = 1.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float _BlurSize;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float2 texelSize = float2(_BlurSize / _ScreenParams.x, _BlurSize / _ScreenParams.y);

                fixed4 color = fixed4(0, 0, 0, 0);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(-1, -1) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(0, -1) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(1, -1) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(-1, 0) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv) * 0.2;
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(1, 0) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(-1, 1) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(0, 1) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(1, 1) * texelSize);

                color /= 9.0;
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

3.3 解释Shader代码

• Properties: 定义了Shader的属性，包括主纹理_MainTex和模糊大小_BlurSize。
• SubShader: 定义了Shader的子着色器，包含一个Pass。
• Pass: 定义了渲染通道，包含顶点着色器vert和片段着色器frag。
• vert: 顶点着色器，将顶点从对象空间转换到裁剪空间。
• frag: 片段着色器，计算每个像素的颜色。我们通过采样周围9个像素的颜色，并取平均值来实现均值模糊。

3.4 使用Shader

将上述Shader保存为MeanBlur.shader，然后在Unity中创建一个材质，并将Shader赋值给该材质。最后，将材质赋值给MeanBlurEffect脚本中的blurMaterial。

4. 优化均值模糊

4.1 分离模糊

均值模糊的计算复杂度较高，尤其是在大尺寸模糊核的情况下。为了优化性能，我们可以将模糊操作分离为水平模糊和垂直模糊两个步骤。这样可以将计算复杂度从O(N^2)降低到O(2N)。

4.2 实现分离模糊

我们可以通过两个Pass来实现分离模糊。第一个Pass进行水平模糊，第二个Pass进行垂直模糊。

Shader "Custom/SeparableMeanBlur"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _BlurSize ("Blur Size", Float) = 1.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float _BlurSize;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float2 texelSize = float2(_BlurSize / _ScreenParams.x, 0);

                fixed4 color = fixed4(0, 0, 0, 0);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(-1, 0) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv) * 0.5;
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(1, 0) * texelSize);

                color /= 3.0;
                return color;
            }
            ENDCG
        }

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float _BlurSize;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float2 texelSize = float2(0, _BlurSize / _ScreenParams.y);

                fixed4 color = fixed4(0, 0, 0, 0);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(0, -1) * texelSize);
                color += tex2D(_MainTex, i.uv) * 0.5;
                color += tex2D(_MainTex, i.uv + float2(0, 1) * texelSize);

                color /= 3.0;
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

4.3 解释分离模糊Shader

• Pass 1: 进行水平模糊，只对水平方向的像素进行采样和平均。
• Pass 2: 进行垂直模糊，只对垂直方向的像素进行采样和平均。

通过这种方式，我们可以显著减少计算量，同时保持模糊效果的质量。

5. 进一步优化

5.1 使用双线性滤波

在采样纹理时，我们可以使用双线性滤波来进一步优化模糊效果。双线性滤波可以在一定程度上减少采样次数，同时保持较好的模糊效果。

5.2 使用RenderTexture

为了进一步提高性能，我们可以使用RenderTexture来存储中间结果。这样可以将模糊操作分解为多个步骤，并在每一步中只处理必要的像素。

6. 总结

本文详细介绍了如何在Unity中使用Shader实现简单的均值模糊效果。我们从后处理的基础知识入手，逐步讲解了均值模糊的原理、实现方法以及优化技巧。通过分离模糊和使用RenderTexture，我们可以显著提高模糊效果的性能，使其在实际项目中更加实用。

希望本文能帮助读者更好地理解Unity中的后处理技术，并为实现更复杂的视觉效果打下坚实的基础。