Unity Shader 屏幕后效果——边缘检测
关于屏幕后效果的控制类详细见之前写的另一篇博客：
https://www.cnblogs.com/koshio0219/p/11131619.html
这篇主要是基于之前的控制类，实现另一种常见的屏幕后效果——边缘检测。
概念和原理部分：
首先，我们需要知道在图形学中经常处理像素的一种操作——卷积。
卷积操作的实质在于，对于图像中的每个像素与其周围的像素进行的重新融合计算行为，以得到不同的像素处理效果，例如锐化图像，模糊图像，检测边缘等。
卷积操作通过不同的像素融合算法能得到各不相同的效果，这主要依赖于卷积核。
可以把卷积核看作是一个n行n列方阵，原始像素则位于方阵的中心。
边缘检测的卷积核也叫边缘检测算子，以Sobel算子为例，形如：
需要特别注意的是，这里的Sobel算子是基于坐标轴以屏幕左上为原点，右下分别为+x,+y方向的，而不是类似于uv坐标轴的以屏幕左下为原点，右上分别为+x,+y方向的。这一点需要特别注意，不然后面的程序很容易写错。
其中Gx和Gy分别是纵向和横向两个方向的边缘线检测，你可以通过去掉矩阵中的零元素来想象，因为零元素不会对像素产生任何影响。也就是说，Gx是为了计算横向的梯度值，Gy为了计算纵向的梯度值。
横向的梯度值检测出来的是纵向的边缘线，纵向的梯度值检测出来的是横向的边缘线。这一点非常容易混淆，需要特别注意。
利用边缘检测算子除了融合像素外，主要是为了计算出像素的梯度值。
一个像素和周围的像素之间梯度值很高，意味着它与周围的像素差异很大，我们可以想象这个像素和周围的像素格格不入，存在一个无法逾越的阶梯；那么就可以这么认为，这个像素可以作为一条边界中的值。
对图像中的每个像素都如此处理，最终就能得到图像的边缘。这也就是边缘检测的实质内容。
计算方法：
1.得到每个像素周围的8个像素的坐标位置以便与Sobel算子进行计算，类似于：（排列方式应该与Sobel算子的坐标轴保持一致）
| uv[0] | uv[1] | uv[2] |
| uv[3] | uv[4]（原始像素点） | uv[5] |
| uv[6] | uv[7] | uv[8] |
但因为uv坐标的原点在左下角，因此在计算uv[0]-uv[8]时，若依据uv[4]为原始像素点，则它们的偏移可以表示为如下情况：
| (-1,1)uv[0] | (0,1)uv[1] | (1,1)uv[2] |
| (-1,0)uv[3] | (0,0)uv[4] | (1,0)uv[5] |
| (-1,-1)uv[6] | (0,-1)uv[7] | (1,-1)uv[8] |
2.通过偏移值可以很快计算出目标像素的周围像素位置坐标信息，随后与Gx和Gy对应元素分别进行横向和纵向的梯度值计算，也就是分别进行纵向和横向的边缘检测：
具体计算方法为：先对卷积核进行180度翻转，得到新的矩阵，随后各项对应元素相乘并相加，注意，不要与矩阵的乘法计算混淆。
但因为Sobel算子是否执行翻转操作对计算结果没有任何影响，故对于Sobel算子来说，翻转操作可以省略。
Gx和Gy计算结束后再将它们开平方和；但往往为了简化GPU的计算量，可以直接取各自的绝对值再相加，得到最终的梯度值G。
3.计算出梯度值后对原始的采样结果进行关于G的插值操作以得到最终的图像。
程序实现：
首先是参数调控的脚本：
1 using UnityEngine;
2
3 public class EdgeDetectionCtrl : ScreenEffectBase
4 {
5 private const string _EdgeOnly = "_EdgeOnly";
6 private const string _EdgeColor = "_EdgeColor";
7 private const string _BackgroundColor = "_BackgroundColor";
8
9 [Range(0,1)]
10 public float edgeOnly = 0.0f;
11
12 public Color edgeColor = Color.black;
13
14 public Color backgroundColor = Color.white;
15
16 private void OnRenderImage(RenderTexture source, RenderTexture destination)
17 {
18 if (Material!=null)
19 {
20 Material.SetFloat(_EdgeOnly, edgeOnly);
21 Material.SetColor(_EdgeColor, edgeColor);
22 Material.SetColor(_BackgroundColor, backgroundColor);
23 Graphics.Blit(source, destination, Material);
24 }
25 else
26 Graphics.Blit(source, destination);
27 }
28 }
同样是继承自ScreenEffectBase基类，三个参数的意义分别如下：
edgeOnly（shader中：_EdgeOnly）：边缘线的叠加程度，0表示完全叠加，1表示只显示边缘线，不显示原图
edgeColor（shader中：_EdgeColor）：边缘线的颜色
backgroundColor（shader中：_BackgroundColor）：背景颜色，当只显示边缘线时，可以很清晰看出
基类脚本见：
https://www.cnblogs.com/koshio0219/p/11131619.html
下面是Shader脚本：
1 Shader "MyUnlit/EdgeDetection"
2 {
3 Properties
4 {
5 _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
6 }
7 SubShader
8 {
9 Tags { "RenderType"="Opaque" }
10
11 Pass
12 {
13 ZTest always
14 Cull off
15 ZWrite off
16
17 CGPROGRAM
18 #pragma vertex vert
19 #pragma fragment frag
20
21 #pragma multi_compile_fog
22
23 #include "UnityCG.cginc"
24
25 struct appdata
26 {
27 float4 vertex : POSITION;
28 float2 uv : TEXCOORD0;
29 };
30
31 struct v2f
32 {
33 half2 uv[9] : TEXCOORD0;
34 UNITY_FOG_COORDS(1)
35 float4 pos : SV_POSITION;
36 };
37
38 sampler2D _MainTex;
39 //纹理映射到[0,1]之后的大小,用于计算相邻区域的纹理坐标
40 half4 _MainTex_TexelSize;
41 //定义控制脚本中对应的参数
42 fixed _EdgeOnly;
43 fixed4 _EdgeColor;
44 fixed4 _BackgroundColor;
45
46 v2f vert (appdata v)
47 {
48 v2f o;
49 o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
50
51 half2 uv = v.uv;
52 half2 size = _MainTex_TexelSize;
53 //计算周围像素的纹理坐标位置，其中4为原始点，右侧乘积因子为偏移的像素单位，坐标轴为左下角原点，右上为+x,+y方向，与uv的坐标轴匹配
54 o.uv[0] = uv + size * half2(-1, 1);
55 o.uv[1] = uv + size * half2(0, 1);
56 o.uv[2] = uv + size * half2(1, 1);
57 o.uv[3] = uv + size * half2(-1, 0);
58 o.uv[4] = uv + size * half2(0, 0);
59 o.uv[5] = uv + size * half2(1, 0);
60 o.uv[6] = uv + size * half2(-1, -1);
61 o.uv[7] = uv + size * half2(0, -1);
62 o.uv[8] = uv + size * half2(1, -1);
63
64 UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos);
65 return o;
66 }
67 //计算对应像素的最低灰度值并返回
68 fixed minGrayCompute(v2f i,int idx)
69 {
70 return Luminance(tex2D(_MainTex, i.uv[idx]));
71 }
72 //利用Sobel算子计算最终梯度值
73 half sobel(v2f i)
74 {
75 const half Gx[9] = {
76 - 1,0,1,
77 - 2,0,2,
78 - 1,0,1
79 };
80 const half Gy[9] = {
81 -1,-2,-1,
82 0, 0, 0,
83 1, 2, 1
84 };
85 //分别计算横向和纵向的梯度值，方法为各项对应元素相乘并相加
86 half graX = 0;
87 half graY = 0;
88
89 for (int it = 0; it < 9; it++)
90 {
91 graX += Gx[it] * minGrayCompute(i, it);
92 graY += Gy[it] * minGrayCompute(i, it);
93 }
94 //绝对值相加近似模拟最终梯度值
95 return abs(graX) + abs(graY);
96 }
97
98 fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
99 {
100 half gra = sobel(i);
101 fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv[4]);
102 //利用得到的梯度值进行插值操作，其中梯度值越大，越接近边缘的颜色
103 fixed4 withEdgeColor = lerp( col, _EdgeColor, gra);
104 fixed4 onlyEdgeColor = lerp( _BackgroundColor, _EdgeColor, gra);
105 fixed4 color = lerp(withEdgeColor, onlyEdgeColor, _EdgeOnly);
106
107 UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, color);
108 return color;
109 }
110 ENDCG
111 }
112 }
113 }
效果如下：
