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描边的难点在于如何检测和识别边缘,当前实现描边特效的方法主要有以下几种:
1)基于顶点膨胀的描边方法
在 SubShader 中开 2 个 Pass 渲染通道,第一个 Pass 通道渲染膨胀的顶点,即将顶点坐标沿着法线方向向外扩展,并使用纯色给扩展后的顶点着色,第二个 Pass 通道渲染原顶点,并覆盖第一个 Pass 通道渲染的内部。
该方案实现简单,算法效率高,但是对于拐角较大的两个面交界处(法线突变较大处),会出现描边断裂,并且描边的宽度会受到透视投影影响。
基于模板测试和顶点膨胀的描边方法 解决了描边断裂和描边宽度受透视影响问题。
2)基于法线和视线的描边方法
对于物体的任意一顶点,判断视线向量(该点指向相机的向量)与该点法线向量的夹角(记为 θ)是否近似 90 度,如果近似 90 度,就将该点识别为边缘,并进行边缘着色。实际应用中,通常采用模糊描边着色法,而不是阈值法,即将 sin(θ) 作为该点渲染描边色的强度。
该方案属于内描边,实现简单,算法效率高,但是物体中间 θ 值近似 90 度的地方(凹陷处)也会被描边。
3)基于屏幕纹理的描边方法
对渲染后的屏幕纹理进行二次渲染,根据像素点周围颜色的差异判断是否是物体边缘像素,如果是边缘,需要重新进行边缘着色。判断边缘的具体做法是:对该像素点周围的像素点的亮度进行卷积运算,得到该点的梯度(反映该点附近亮度突变的强度),根据梯度阈值判断该点是否是边缘。
该方案属于内描边,实现有一定难度,算法效率一般,算法依赖梯度阈值,并且受颜色、光照、阴影等影响较大,如:地面的影子可能会被描边。
案例见→边缘检测特效。
4)基于深度和法线纹理的描边方法
对渲染后的屏幕纹理进行二次渲染,根据像素点周围深度和法线的差异判断是否是物体边缘像素,如果是边缘,需要重新进行边缘着色。判断边缘的具体做法是:对该像素点周围的像素点的深度和法线进行卷积运算,得到该点的梯度(反映该点附近深度和法线突变的强度),根据梯度阈值判断该点是否是边缘。
该方案属于内描边,效果较好,实现较难,算法依赖梯度阈值。
案例见→基于深度和法线纹理的边缘检测方法。
5)基于模板纹理模糊膨胀的描边方法
首先使用纯色对选中的物体进行渲染,得到模板纹理,接着对模板纹理进行模糊处理,使模板颜色往外扩,得到模糊纹理,再根据模板纹理和模糊纹理对所有物体重新渲染,渲染规则:如果该像素点在模板纹理内部,就渲染原色,如果在模板纹理外部,就根据模糊纹理的透明度判断渲染原色还是模糊纹理色。
该方案属于外描边,效果较好,实现较难,但算法不依赖阈值。
本文代码资源见→Unity3D选中物体描边特效。
本文采用基于模板纹理模糊膨胀的描边方法,本节将通过图文详细介绍该算法的原理。
1)原图
2)模板纹理
说明:清屏颜色为 (0, 0, 0, 0),后面会用到 。通过 Graphics.ExecuteCommandBuffer(commandBuffer) 对选中的物体进行渲染,得到模板纹理。
3)模糊纹理
说明:通过对模板纹理进行模糊处理, 使模板颜色向外扩展,得到模糊纹理,外扩的部分就是需要描边的部分。
4)合成纹理
说明:根据模板纹理和模糊纹理对所有物体重新渲染,渲染规则:如果该像素点在模板纹理内部,就渲染原色,如果在模板纹理外部,就根据模糊纹理的透明度判断渲染原色还是模糊纹理色,如下:
- // 由于模糊纹理的外部清屏颜色是(0, 0, 0, 0), blur.a=0, 因此模糊纹理的外部也会被渲染为原色
- color.rgb = lerp(source.rgb, blur.rgb, blur.a); // lerp(a,b,x)=(1-x)*a+x*b
- color.a = source.a;
5)描边颜色和宽度渐变
描边颜色由模板颜色决定,通过设置模板颜色随时间变化,实现描边颜色渐变,通过设置模板透明度随时间变化,实现描边在出现和消失,视觉上感觉描边在扩大和缩小。
- fixed4 frag(v2f i) : SV_Target // 片段着色器
- {
- float t1 = sin(_Time.z); // _Time = float4(t/20, t, t*2, t*3)
- float t2 = cos(_Time.z);
- // 描边颜色随时间变化, 描边透明度随时间变化, 视觉上感觉描边在膨胀和收缩
- return float4(t1 + 1, t2 + 1, 1 - t1, 1 - t2);
- }
渐变模板图如下:
渐变描边效果如下:
6)缺陷
如果描边的物体存在重叠,由于所有物体共一个模板纹理,将存在描边消融现象。
模板纹理如下:
描边消融如下:
可以看到,正方体、球体、胶囊体、圆柱体下方及人体都没有描边特效,因为它们在模板纹理的内部,被消融掉了。
OutlineEffect.cs
- using System;
- using UnityEngine;
- using UnityEngine.Rendering;
-
- public class OutlineEffect : MonoBehaviour {
- public static Action<CommandBuffer> renderEvent; // 渲染事件
- public float offsetScale = 2; // 模糊处理像素偏移
- public int iterate = 3; // 模糊处理迭代次数
- public float outlineStrength = 3; // 描边强度
-
- private Material blurMaterial; // 模糊材质
- private Material compositeMaterial; // 合成材质
- private CommandBuffer commandBuffer; // 用于渲染模板纹理
- private RenderTexture stencilTex; // 模板纹理
- private RenderTexture blurTex; // 模糊纹理
-
- private void Awake() {
- blurMaterial = new Material(Shader.Find("Custom/Outline/Blur"));
- compositeMaterial = new Material(Shader.Find("Custom/Outline/Composite"));
- commandBuffer = new CommandBuffer();
- }
-
- private void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination) {
- if (renderEvent != null) {
- RenderStencil(); // 渲染模板纹理
- RenderBlur(source.width, source.height); // 渲染模糊纹理
- RenderComposite(source, destination); // 渲染合成纹理
- } else {
- Graphics.Blit(source, destination); // 保持原图
- }
- }
-
- private void RenderStencil() { // 渲染模板纹理
- stencilTex = RenderTexture.GetTemporary(Screen.width, Screen.height, 0);
- commandBuffer.SetRenderTarget(stencilTex);
- commandBuffer.ClearRenderTarget(true, true, Color.clear); // 设置模板清屏颜色为(0,0,0,0)
- renderEvent.Invoke(commandBuffer);
- Graphics.ExecuteCommandBuffer(commandBuffer);
- }
-
- private void RenderBlur(int width, int height) { // 对模板纹理进行模糊化
- blurTex = RenderTexture.GetTemporary(width, height, 0);
- RenderTexture temp = RenderTexture.GetTemporary(width, height, 0);
- blurMaterial.SetFloat("_OffsetScale", offsetScale);
- Graphics.Blit(stencilTex, blurTex, blurMaterial);
- for (int i = 0; i < iterate; i ++) {
- Graphics.Blit(blurTex, temp, blurMaterial);
- Graphics.Blit(temp, blurTex, blurMaterial);
- }
- RenderTexture.ReleaseTemporary(temp);
- }
-
- private void RenderComposite(RenderTexture source, RenderTexture destination) { // 渲染合成纹理
- compositeMaterial.SetTexture("_MainTex", source);
- compositeMaterial.SetTexture("_StencilTex", stencilTex);
- compositeMaterial.SetTexture("_BlurTex", blurTex);
- compositeMaterial.SetFloat("_OutlineStrength", outlineStrength);
- Graphics.Blit(source, destination, compositeMaterial);
- RenderTexture.ReleaseTemporary(stencilTex);
- RenderTexture.ReleaseTemporary(blurTex);
- stencilTex = null;
- blurTex = null;
- }
- }
说明: OnRenderImage 方法是MonoBehaviour的生命周期方法,在所有的渲染完成后由 MonoBehavior 自动调用,该方法依赖相机组件,由于 OnRenderImage 在渲染后调用,因此被称为后处理操作,它是 Unity3D 特效的重要理论分支;Graphics.Blit(source, dest, material) 用于将 source 纹理按照 material 材质重新渲染到 dest;CommandBuffer 携带一系列的渲染命令,依赖相机,用来拓展渲染管线的渲染效果;OutlineEffect 脚本组件必须挂在相机上。
OutlineObject.cs
- using UnityEngine;
- using UnityEngine.Rendering;
-
- public class OutlineObject : MonoBehaviour {
- private Material stencilMaterial; // 模板材质
-
- private void Awake() {
- stencilMaterial = new Material(Shader.Find("Custom/Outline/Stencil"));
- }
-
- private void OnEnable() {
- OutlineEffect.renderEvent += OnRenderEvent;
- // _StartTime用于控制每个选中的对象颜色渐变不同步
- stencilMaterial.SetFloat("_StartTime", Time.timeSinceLevelLoad * 2);
- }
-
- private void OnDisable() {
- OutlineEffect.renderEvent -= OnRenderEvent;
- }
-
- private void OnRenderEvent(CommandBuffer commandBuffer) {
- Renderer[] renderers = gameObject.GetComponentsInChildren<Renderer>();
- foreach (Renderer r in renderers) {
- commandBuffer.DrawRenderer(r, stencilMaterial); // 将renderer和material提交到主camera的commandbuffer列表进行渲染
- }
- }
- }
说明:被选中的物体将会添加 OutlineObject 脚本组件,用于渲染选中对象的模板纹理,每个选中对象独立持有 stencilMaterial,互不干扰,描边的渐变相位(由_StartTime控制)可以由选中对象独立控制,这样每个模板的颜色就可以独立控制,从而实现每个选中对象描边各异的效果。
SelectController.cs
- using System.Collections.Generic;
- using UnityEngine;
-
- public class SelectController : MonoBehaviour {
- private List<GameObject> targets; // 选中的游戏对象
- private List<GameObject> loseFocus; // 失焦的游戏对象
- private RaycastHit hit; // 碰撞信息
-
- private void Start() {
- Camera.main.gameObject.AddComponent<OutlineEffect>();
- targets = new List<GameObject>();
- loseFocus = new List<GameObject>();
- hit = new RaycastHit();
- }
-
- private void Update() {
- if (Input.GetMouseButtonUp(0)) {
- GameObject hitObj = GetHitObj();
- if (hitObj == null) { // 未选中任何物体, 已描边的全部取消描边
- targets.ForEach(obj => loseFocus.Add(obj));
- targets.Clear();
- }
- else if (Input.GetKey(KeyCode.LeftControl) || Input.GetKey(KeyCode.RightControl)) {
- if (targets.Contains(hitObj)) { // Ctrl重复选中, 取消描边
- loseFocus.Add(hitObj);
- targets.Remove(hitObj);
- } else { // Ctrl追加描边
- targets.Add(hitObj);
- }
- } else { // 单选描边
- targets.ForEach(obj => loseFocus.Add(obj));
- targets.Clear();
- targets.Add(hitObj);
- loseFocus.Remove(hitObj);
- }
- DrawOutline();
- }
- }
-
- private void DrawOutline() { // 描边
- targets.ForEach(obj => {
- if (obj.GetComponent<OutlineObject>() == null) {
- obj.AddComponent<OutlineObject>();
- } else {
- obj.GetComponent<OutlineObject>().enabled = true;
- }
- });
- loseFocus.ForEach(obj => {
- if (obj.GetComponent<OutlineObject>() != null) {
- obj.GetComponent<OutlineObject>().enabled = false;
- }
- });
- loseFocus.Clear();
- }
-
- private GameObject GetHitObj() { // 获取屏幕射线碰撞的物体
- Ray ray = Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition);
- if (Physics.Raycast(ray, out hit)) {
- return hit.collider.gameObject;
- }
- return null;
- }
- }
说明:通过单击物体,给选中的物体添加 OutlineObject 脚本组件,再由 OutlineEffect 控制描边。按住 Ctrl 键再单击物体会追加选中,如果重复选中,会取消描边。
StencilShader.shader
- Shader "Custom/Outline/Stencil"
- {
- Properties
- {
- _StartTime ("startTime", Float) = 0 // _StartTime用于控制每个选中的对象颜色渐变不同步
- }
-
- SubShader
- {
- Pass
- {
- CGPROGRAM // CG语言的开始
- // 编译指令 着色器名称 函数名称
- #pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
- #pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次
- #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest // fragment使用最低精度, fp16, 提高性能和速度
-
- // 导入头文件
- #include "UnityCG.cginc"
-
- float _StartTime;
-
- struct a2v // 顶点函数输入结构体
- {
- float4 vertex: POSITION; // 顶点坐标
- };
-
- struct v2f // 顶点函数输出结构体
- {
- float4 pos : SV_POSITION;
- };
-
- v2f vert(a2v v) // 顶点着色器
- {
- v2f o;
- o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
- return o;
- }
-
- fixed4 frag(v2f i) : SV_Target // 片段着色器
- {
- float t1 = sin(_Time.z - _StartTime); // _Time = float4(t/20, t, t*2, t*3)
- float t2 = cos(_Time.z - _StartTime);
- // 描边颜色随时间变化, 描边透明度随时间变化, 视觉上感觉描边在膨胀和收缩
- return float4(t1 + 1, t2 + 1, 1 - t1, 1 - t2);
- }
-
- ENDCG // CG语言的结束
- }
- }
-
- FallBack off
- }
说明: StencilShader 用于渲染模板纹理,并且其颜色和透明度随时间变化,实现描边颜色渐变、宽度在膨胀和收缩效果。_StartTime 用于控制时间偏移,由物体被选中的时间决定,每个物体被选中的时间不一样,因此选中物体模板颜色各异,描边颜色也各异。
BlurShader.shader
- Shader "Custom/Outline/Blur"
- {
- Properties
- {
- _MainTex ("stencil", 2D) = "" {}
- _OffsetScale ("offsetScale", Range (0.1, 3)) = 2 // 模糊采样偏移
- }
-
- SubShader
- {
- Pass
- {
- ZTest Always
- Cull Off
- ZWrite Off
- Lighting Off
- Fog { Mode Off }
-
- CGPROGRAM // CG语言的开始
- #pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
- #pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次
- #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest // fragment使用最低精度, fp16, 提高性能和速度
-
- #include "UnityCG.cginc"
-
- sampler2D _MainTex;
- half _OffsetScale;
- half4 _MainTex_TexelSize; //_MainTex的像素尺寸大小, float4(1/width, 1/height, width, height)
-
- struct a2v // 顶点函数输入结构体
- {
- float4 vertex: POSITION;
- half2 texcoord: TEXCOORD0;
- };
-
- struct v2f // 顶点函数输出结构体
- {
- float4 pos : POSITION;
- half2 uv[4] : TEXCOORD0;
- };
-
- v2f vert(a2v v) // 顶点着色器
- {
- v2f o;
- o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
- half2 offs = _MainTex_TexelSize.xy * _OffsetScale;
- // uv坐标向四周扩散
- o.uv[0].x = v.texcoord.x - offs.x;
- o.uv[0].y = v.texcoord.y - offs.y;
- o.uv[1].x = v.texcoord.x + offs.x;
- o.uv[1].y = v.texcoord.y - offs.y;
- o.uv[2].x = v.texcoord.x + offs.x;
- o.uv[2].y = v.texcoord.y + offs.y;
- o.uv[3].x = v.texcoord.x - offs.x;
- o.uv[3].y = v.texcoord.y + offs.y;
- return o;
- }
-
- fixed4 frag(v2f i) : COLOR // 片段着色器
- {
- fixed4 color1 = tex2D(_MainTex, i.uv[0]);
- fixed4 color2 = tex2D(_MainTex, i.uv[1]);
- fixed4 color3 = tex2D(_MainTex, i.uv[2]);
- fixed4 color4 = tex2D(_MainTex, i.uv[3]);
- fixed4 color;
- // max: 2个向量中每个分量都取较大者, 这里通过max函数将模板的边缘向外扩, rgb=stencil.rgb
- color.rgb = max(color1.rgb, color2.rgb);
- color.rgb = max(color.rgb, color3.rgb);
- color.rgb = max(color.rgb, color4.rgb);
- color.a = (color1.a + color2.a + color3.a + color4.a) / 4; // 透明度向外逐渐减小
- return color;
- }
-
- ENDCG // CG语言的结束
- }
- }
-
- Fallback off
- }
说明: BlurShader 用于渲染模糊纹理,通过对模板纹理模糊化处理,实现模板颜色外扩,外扩的部分就是需要描边的部分。
CompositeShader.shader
- Shader "Custom/Outline/Composite"
- {
- Properties
- {
- _MainTex ("source", 2D) = "" {}
- _StencilTex ("stencil", 2D) = "" {}
- _BlurTex ("blur", 2D) = "" {}
- _OutlineStrength ("OutlineStrength", Range(1, 5)) = 3
- }
-
- SubShader
- {
- Pass
- {
- ZTest Always
- Cull Off
- ZWrite Off
- Lighting Off
- Fog { Mode off }
-
- CGPROGRAM // CG语言的开始
- #pragma vertex vert // 顶点着色器, 每个顶点执行一次
- #pragma fragment frag // 片段着色器, 每个像素执行一次
- #pragma fragmentoption ARB_precision_hint_fastest // fragment使用最低精度, fp16, 提高性能和速度
-
- #include "UnityCG.cginc"
-
- sampler2D _MainTex;
- sampler2D _StencilTex;
- sampler2D _BlurTex;
- float _OutlineStrength;
- float4 _MainTex_TexelSize; //_MainTex的像素尺寸大小, float4(1/width, 1/height, width, height)
-
- struct a2v // 顶点函数输入结构体
- {
- float4 vertex: POSITION;
- half2 texcoord: TEXCOORD0;
- };
-
- struct v2f // 顶点函数输出结构体
- {
- float4 pos : POSITION;
- half2 uv : TEXCOORD0;
- };
-
- v2f vert(a2v v) // 顶点着色器
- {
- v2f o;
- o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
- o.uv = v.texcoord;
- if (_MainTex_TexelSize.y < 0)
- o.uv.y = 1 - o.uv.y; // 在Direct3D平台下, 如果我们开启了抗锯齿, 则_MainTex_TexelSize.y 会变成负值
- return o;
- }
-
- fixed4 frag(v2f i) : COLOR // 片段着色器
- {
- fixed4 source = tex2D(_MainTex, i.uv);
- fixed4 stencil = tex2D(_StencilTex, i.uv);
- if (any(stencil.rgb))
- { // 绘制选中物体
- return source;
- }
- else
- { // 绘制选中物体以外的图像
- fixed4 blur = tex2D(_BlurTex, i.uv);
- fixed4 color;
- color.rgb = lerp(source.rgb, blur.rgb * _OutlineStrength, saturate(blur.a - stencil.a));
- color.a = source.a;
- return color;
- }
- }
-
- ENDCG // CG语言的结束
- }
- }
-
- Fallback Off
- }
说明: CompositeShader 用于渲染合成纹理,根据模板纹理和模糊纹理对所有物体重新渲染,渲染规则:如果该像素点在模板纹理内部,就渲染原色,如果在模板纹理外部,就根据模糊纹理的透明度判断渲染原色还是模糊纹理色。
单击物体选中描边,按住 Ctrl 键单击物体追加选中描边,单击地面或空白地方所有已描边物体取消描边(删除了地面的碰撞体组件)。
HighlightingSystem 插件也实现了基于模板纹理模糊膨胀的描边方法,插件资源在Unity3D选中物体描边特效的【Assets\Plugins\HighlightingSystem】目录下。
该插件与本文的区别在于模板纹理的渲染方式不同,本文通过 CommandBuffer 渲染模板纹理,HighlightingSystem 通过第二个相机渲染模板纹理(camera.Render() 方法),具体操作如下:在 HighlightingEffect 脚本组件的 OnPreRender 方法中,通过 Copy 主相机新生成一个相机,并将其 cullingMask 设置为 highlightingLayer(值为7),用于渲染图层为 7 的物体的模板纹理,被添加 HighlightableObject 脚本组件的物体在渲染模板纹理时其图层将会被临时更改为 7,渲染结束后又恢复原图层。
该插件存在一个缺陷,7 号图层需要预留出来,否则 7 号图层的物体周围将存在一个模糊的灰色边缘。
HighlightingSystem 插件的使用方法如下:将 HighlightingEffect 脚本组件挂在相机下,给需要描边的物体添加 SpectrumController 脚本组件。运行时,已添加 SpectrumController 脚本组件的物体将会被自动添加 HighlightableObject 脚本组件。
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