【Unity3D】高斯模糊特效
1 高斯模糊原理
边缘检测特效中使用了卷积运算进行了边缘检测,本文实现的高斯模糊特效同样使用了卷积运算,关于卷积核和卷积运算的概念,读者可以参考边缘检测特效。
本文完整资源见→Unity3D高斯模糊特效。
我们将用于模糊处理的卷积核称为模糊算子,它一般满足以下条件:
- 卷积核中权值上下对称、左右对称;
- 卷积核中每个权值大于或等于 0,小于 1;
- 卷积核中所有权值之和为 1。
我们将所有权值都为 1 / n(n 为权值个数)的卷积核称为平均模糊算子;将权值随位置变化且符合高斯分布(或正太分布)的卷积核称为高斯模糊算子(或高斯核),它较好地模拟了邻域中每个像素对当前处理像素的影响程度(距离越近,影响越大)。高斯方程如下:
σ 是标准差,其值越大,高斯分布函数的图像越矮胖,一般取值为 1,x、y 为当前位置到卷积核中心的整数距离。要构建一个高斯核,我们只需要计算高斯核中各个位置对应的高斯值。为了保证模糊处理后的图像不会变暗,我们需要对高斯核中的元素进行归一化,即将所有元素都除以它们的权值和,从而保证归一化后的权值和为 1。因此,高斯函数中 e 前面的系数不会对高斯核产生任何影响,在计算高斯核的过程中可以省去。
高斯核的维数越高,模糊程度越大。使用一个 n * n 的卷积核,需要进行 n * n * w * h 次纹理采样(w、h 分别为图像的宽高),为节省性能,我们将二维高斯核拆分为 2 个一维高斯核,采样次数只需要 2 * n * w * h 次。进一步观察到,2 个高斯核中包含了很多重复权重。对于一个大小为 5 的一维高斯核,实际只需记录 3 个权值即可。
2 代码实现
GaussianBlur.cs
using UnityEngine;
[ExecuteInEditMode] // 编辑态可以查看脚本运行效果
[RequireComponent(typeof(Camera))] // 需要相机组件
public class GaussianBlur : MonoBehaviour {
[Range(0, 4)]
public int iterations = 3; // 高斯模糊迭代次数
[Range(0.2f, 3.0f)]
public float blurSpread = 0.6f; // 每次迭代纹理坐标偏移的速度
[Range(1, 8)]
public int downSample = 2; // 降采样比率
private Material material = null; // 材质
private void Start() {
material = new Material(Shader.Find("MyShader/GaussianBlur"));
material.hideFlags = HideFlags.DontSave;
}
void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest) {
if (material != null) {
int rtW = src.width / downSample; // 降采样的纹理宽度
int rtH = src.height / downSample; // 降采样的纹理高度
RenderTexture buffer0 = RenderTexture.GetTemporary(rtW, rtH, 0);
buffer0.filterMode = FilterMode.Bilinear; // 滤波模式设置为双线性
Graphics.Blit(src, buffer0);
for (int i = 0; i < iterations; i++) {
material.SetFloat("_BlurSize", 1.0f + i * blurSpread); // 设置模糊尺寸(纹理坐标的偏移量)
RenderTexture buffer1 = RenderTexture.GetTemporary(rtW, rtH, 0);
Graphics.Blit(buffer0, buffer1, material, 0); // 渲染垂直的Pass
RenderTexture.ReleaseTemporary(buffer0);
buffer0 = buffer1;
buffer1 = RenderTexture.GetTemporary(rtW, rtH, 0);
Graphics.Blit(buffer0, buffer1, material, 1); // 渲染水平的Pass
RenderTexture.ReleaseTemporary(buffer0);
buffer0 = buffer1;
}
Graphics.Blit(buffer0, dest);
RenderTexture.ReleaseTemporary(buffer0);
} else {
Graphics.Blit(src, dest);
}
}
}
GaussianBlur.shader
Shader "MyShader/GaussianBlur" { // 高斯模糊
Properties {
_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} // 主纹理
_BlurSize ("Blur Size", Float) = 1.0 // 模糊尺寸(纹理坐标的偏移量)
}
SubShader {
CGINCLUDE
#include "UnityCG.cginc"
sampler2D _MainTex; // 主纹理
half4 _MainTex_TexelSize; // _MainTex的像素尺寸大小, float4(1/width, 1/height, width, height)
float _BlurSize; // 模糊尺寸(纹理坐标的偏移量)
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION; // 模型空间顶点坐标
half2 uv[5]: TEXCOORD0; // 5个邻域的纹理坐标
};
v2f vertBlurVertical(appdata_img v) { // 垂直模糊顶点着色器
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
half2 uv = v.texcoord;
o.uv[0] = uv;
o.uv[1] = uv + float2(0.0, _MainTex_TexelSize.y * 1.0) * _BlurSize;
o.uv[2] = uv - float2(0.0, _MainTex_TexelSize.y * 1.0) * _BlurSize;
o.uv[3] = uv + float2(0.0, _MainTex_TexelSize.y * 2.0) * _BlurSize;
o.uv[4] = uv - float2(0.0, _MainTex_TexelSize.y * 2.0) * _BlurSize;
return o;
}
v2f vertBlurHorizontal(appdata_img v) { // 水平模糊顶点着色器
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 模型空间顶点坐标变换到裁剪空间, 等价于: mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex)
half2 uv = v.texcoord;
o.uv[0] = uv;
o.uv[1] = uv + float2(_MainTex_TexelSize.x * 1.0, 0.0) * _BlurSize;
o.uv[2] = uv - float2(_MainTex_TexelSize.x * 1.0, 0.0) * _BlurSize;
o.uv[3] = uv + float2(_MainTex_TexelSize.x * 2.0, 0.0) * _BlurSize;
o.uv[4] = uv - float2(_MainTex_TexelSize.x * 2.0, 0.0) * _BlurSize;
return o;
}
fixed4 fragBlur(v2f i) : SV_Target {
float weight[3] = {0.4026, 0.2442, 0.0545}; // 大小为5的一维高斯核,实际只需记录3个权值
fixed3 sum = tex2D(_MainTex, i.uv[0]).rgb * weight[0];
for (int j = 1; j < 3; j++) {
sum += tex2D(_MainTex, i.uv[j * 2 - 1]).rgb * weight[j]; // 中心右侧或下侧的纹理*权值
sum += tex2D(_MainTex, i.uv[j * 2]).rgb * weight[j]; // 中心左侧或上侧的纹理*权值
}
return fixed4(sum, 1.0);
}
ENDCG
ZTest Always Cull Off ZWrite Off
Pass {
NAME "GAUSSIAN_BLUR_VERTICAL"
CGPROGRAM
#pragma vertex vertBlurVertical
#pragma fragment fragBlur
ENDCG
}
Pass {
NAME "GAUSSIAN_BLUR_HORIZONTAL"
CGPROGRAM
#pragma vertex vertBlurHorizontal
#pragma fragment fragBlur
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
3 运行效果
1)原图
2)模糊处理
调整模糊迭代次数 iterations 由 0 ~ 4 变化,效果如下:
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