unity3d如何实现基于屏幕空间的描边

发布时间：2022-01-14 14:35:37 作者：小新
来源：亿速云阅读：406

Unity3D如何实现基于屏幕空间的描边

引言

在游戏开发中，描边效果是一种常见的技术，用于突出显示场景中的特定对象或角色。描边效果可以帮助玩家更容易地识别重要的游戏元素，增强视觉效果。Unity3D作为一款强大的游戏引擎，提供了多种实现描边效果的方法。本文将详细介绍如何在Unity3D中实现基于屏幕空间的描边效果。

1. 描边效果的基本原理

描边效果的基本原理是通过检测物体的边缘，并在边缘处绘制一条颜色较深的线条。在Unity3D中，实现描边效果的方法主要有两种：基于几何的描边和基于屏幕空间的描边。

基于几何的描边：通过扩展物体的几何体，生成一个稍微大一些的模型，并将其渲染为描边颜色。这种方法适用于简单的几何体，但对于复杂的模型，可能会导致性能问题。
基于屏幕空间的描边：通过在后处理阶段对屏幕图像进行处理，检测物体的边缘并绘制描边。这种方法适用于复杂的模型，并且可以在不修改原始模型的情况下实现描边效果。

本文将重点介绍基于屏幕空间的描边实现方法。

2. 基于屏幕空间的描边实现步骤

2.1 创建后处理脚本

首先，我们需要创建一个后处理脚本来处理屏幕图像。在Unity3D中，后处理通常通过OnRenderImage方法实现。

using UnityEngine;

[ExecuteInEditMode]
public class ScreenSpaceOutline : MonoBehaviour
{
    public Material outlineMaterial;

    void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination)
    {
        if (outlineMaterial != null)
        {
            Graphics.Blit(source, destination, outlineMaterial);
        }
        else
        {
            Graphics.Blit(source, destination);
        }
    }
}

2.2 创建描边材质

接下来，我们需要创建一个用于描边的材质。这个材质将使用一个自定义的Shader来实现描边效果。

Shader "Custom/ScreenSpaceOutline"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0,0,0,1)
        _OutlineThickness ("Outline Thickness", 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;
            float4 _MainTex_ST;
            float4 _OutlineColor;
            float _OutlineThickness;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 获取当前像素的颜色
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

                // 计算周围像素的颜色差异
                float2 texelSize = float2(1.0 / _ScreenParams.x, 1.0 / _ScreenParams.y);
                float4 up = tex2D(_MainTex, i.uv + float2(0, texelSize.y * _OutlineThickness));
                float4 down = tex2D(_MainTex, i.uv - float2(0, texelSize.y * _OutlineThickness));
                float4 left = tex2D(_MainTex, i.uv - float2(texelSize.x * _OutlineThickness, 0));
                float4 right = tex2D(_MainTex, i.uv + float2(texelSize.x * _OutlineThickness, 0));

                // 计算颜色差异
                float4 diff = abs(up - col) + abs(down - col) + abs(left - col) + abs(right - col);
                float edge = saturate(dot(diff, float4(1,1,1,1)));

                // 混合描边颜色和原始颜色
                col.rgb = lerp(col.rgb, _OutlineColor.rgb, edge);

                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

2.3 应用后处理脚本

将创建的后处理脚本附加到相机上，并将描边材质赋值给outlineMaterial属性。

using UnityEngine;

public class ApplyOutline : MonoBehaviour
{
    public Material outlineMaterial;

    void Start()
    {
        ScreenSpaceOutline outline = gameObject.AddComponent<ScreenSpaceOutline>();
        outline.outlineMaterial = outlineMaterial;
    }
}

2.4 调整描边参数

在Unity编辑器中，可以通过调整描边材质的参数来控制描边的颜色和厚度。

Outline Color：设置描边的颜色。
Outline Thickness：设置描边的厚度。

3. 优化描边效果

3.1 使用深度和法线信息

为了提高描边的准确性，可以使用深度和法线信息来检测边缘。深度信息可以帮助我们检测物体的轮廓，而法线信息可以帮助我们检测物体表面的变化。

Shader "Custom/ScreenSpaceOutline"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0,0,0,1)
        _OutlineThickness ("Outline Thickness", 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;
            sampler2D _CameraDepthNormalsTexture;
            float4 _MainTex_ST;
            float4 _OutlineColor;
            float _OutlineThickness;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 获取当前像素的颜色
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

                // 获取深度和法线信息
                float3 normal;
                float depth;
                DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv), depth, normal);

                // 计算周围像素的深度和法线差异
                float2 texelSize = float2(1.0 / _ScreenParams.x, 1.0 / _ScreenParams.y);
                float3 normalUp = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv + float2(0, texelSize.y * _OutlineThickness)), depthUp;
                float3 normalDown = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv - float2(0, texelSize.y * _OutlineThickness)), depthDown;
                float3 normalLeft = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv - float2(texelSize.x * _OutlineThickness, 0)), depthLeft;
                float3 normalRight = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv + float2(texelSize.x * _OutlineThickness, 0)), depthRight;

                // 计算深度和法线差异
                float depthDiff = abs(depthUp - depth) + abs(depthDown - depth) + abs(depthLeft - depth) + abs(depthRight - depth);
                float normalDiff = dot(abs(normalUp - normal), float3(1,1,1)) + dot(abs(normalDown - normal), float3(1,1,1)) + dot(abs(normalLeft - normal), float3(1,1,1)) + dot(abs(normalRight - normal), float3(1,1,1));

                // 计算边缘强度
                float edge = saturate(depthDiff + normalDiff);

                // 混合描边颜色和原始颜色
                col.rgb = lerp(col.rgb, _OutlineColor.rgb, edge);

                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

3.2 使用模糊效果

为了进一步优化描边效果，可以在描边之前对屏幕图像进行模糊处理。模糊处理可以帮助我们平滑边缘，减少锯齿现象。

Shader "Custom/ScreenSpaceOutline"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0,0,0,1)
        _OutlineThickness ("Outline Thickness", Float) = 1.0
        _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;
            sampler2D _CameraDepthNormalsTexture;
            float4 _MainTex_ST;
            float4 _OutlineColor;
            float _OutlineThickness;
            float _BlurSize;

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

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 获取当前像素的颜色
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

                // 获取深度和法线信息
                float3 normal;
                float depth;
                DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv), depth, normal);

                // 计算周围像素的深度和法线差异
                float2 texelSize = float2(1.0 / _ScreenParams.x, 1.0 / _ScreenParams.y);
                float3 normalUp = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv + float2(0, texelSize.y * _OutlineThickness)), depthUp;
                float3 normalDown = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv - float2(0, texelSize.y * _OutlineThickness)), depthDown;
                float3 normalLeft = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv - float2(texelSize.x * _OutlineThickness, 0)), depthLeft;
                float3 normalRight = DecodeDepthNormal(tex2D(_CameraDepthNormalsTexture, i.uv + float2(texelSize.x * _OutlineThickness, 0)), depthRight;

                // 计算深度和法线差异
                float depthDiff = abs(depthUp - depth) + abs(depthDown - depth) + abs(depthLeft - depth) + abs(depthRight - depth);
                float normalDiff = dot(abs(normalUp - normal), float3(1,1,1)) + dot(abs(normalDown - normal), float3(1,1,1)) + dot(abs(normalLeft - normal), float3(1,1,1)) + dot(abs(normalRight - normal), float3(1,1,1));

                // 计算边缘强度
                float edge = saturate(depthDiff + normalDiff);

                // 模糊处理
                float2 blurOffset = float2(_BlurSize / _ScreenParams.x, _BlurSize / _ScreenParams.y);
                fixed4 blurCol = (tex2D(_MainTex, i.uv + blurOffset) + tex2D(_MainTex, i.uv - blurOffset) + tex2D(_MainTex, i.uv + float2(blurOffset.x, -blurOffset.y)) + tex2D(_MainTex, i.uv + float2(-blurOffset.x, blurOffset.y))) / 4.0;

                // 混合描边颜色和模糊颜色
                col.rgb = lerp(blurCol.rgb, _OutlineColor.rgb, edge);

                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

4. 结论

通过以上步骤，我们可以在Unity3D中实现基于屏幕空间的描边效果。这种方法不仅适用于复杂的模型，还可以通过调整参数和优化算法来获得更好的视觉效果。希望本文能够帮助你在游戏开发中实现出色的描边效果。