【Unity Shaders】Using Textures for Effects——打包和混合textures

本系列主要参考《Unity Shaders and Effects
Cookbook》一书(感谢原书作者),同时会加上一点个人理解或拓展。文章地址https://www.yii666.com/article/754298.html

这里是本书所有的插图。这里是本书所需的代码和资源(当然你也可以从官网下载)。

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题外话


好久没有更新博客!感觉又荒废了shader的学习,吼吼,还是得加油啊!

这次的内容是打包合并textures。

Textures不仅仅可以用来存储颜色信息,还可以存储很多数据信息。这些数据信息可以分别存储到R、G、B、A四个部分,然后再打包成一张Texture,像下图这样:

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为什么这样做有好处呢?在我们的应用中,textures的数目将很大程度上影响应用的性能。因此,为了减少textures的数量,我们可以看看Shader中使用的那些图片可以合并成一张,以此来优化性能。

任何灰度图都可以被打包进另一个新的texture的RGBA四个中的某一个chanel。这听起来不是很明白,没关系,这篇文章就会展示如何做到这点。

一个常用的场景是,你想要混合多张textures到一个surface上。这在terrain Shaders(地形渲染)中很常见,这种时候你往往需要很好的将一张texture和另一张混合起来。网址:yii666.com

这篇文章中将会告诉你,怎样完成一个由4张textures混合渲染而得的terrain Shader。文章来源地址https://www.yii666.com/article/754298.html

开始工作


  1. 还是创建一个新的Shader文件,并为这个Shader创建一个新的Material,名字可以称为TextureBlending;
  2. 创建一个新的场景,以便来测试我们的Shader;
  3. 接下来,你需要4张用于混合的textures。它们可以是任何图片,但是为了得到一个效果较好的terrain Shader,建议你分别准备一张草地(grass)、泥土(dirt)、小石子(rocky dirt)、石头(rock)的texture。书的资源中包含了这样四张texture(Unity
    Shaders and Effects Cookbook/5084_Code/Unity assets/5084_02_UnityAssets/Textures目录下的Chapter02_Grass0103_2_S.jpg,Chapter02_RockSmooth0045_2_S.jpg,Chapter02_SandPebbles0027_1_S.jpg,Chapter02_SandPebbles0030_3_S.jpg):

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  4. 最后,也是奇妙所在,我们需要一张混合的texture(Unity Shaders and Effects Cookbook/5084_Code/Unity assets/5084_02_UnityAssets/Textures目录下的Chapter02_TerrainBlend_001.jpg),它是由多个灰度图混合而成的。它将会告诉我们以上四张texture在目标地形上是如何分布的:

    【Unity Shaders】Using Textures for Effects——打包和混合textures


实现


  1. 首先,向Shader的Properties块中添加一些新的properties。我们需要5个sampler2D对象,也就是textures,以及两个颜色properties,和一个用于调整整体地形颜色的值。
    	Properties {
    _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1) //Add the properties below so we can input all of our textures
    _ColorA ("Terrain Color A", Color) = (1,1,1,1)
    _ColorB ("Terrain Color B", Color) = (1,1,1,1)
    _RTexture ("Red Channel Texture", 2D) = ""{}
    _GTexture ("Green Channel Texture", 2D) = ""{}
    _BTexture ("Blue Channel Texture", 2D) = ""{}
    _ATexture ("Alpha Channel Texture", 2D) = ""{}
    _BlendTex ("Blend Texture", 2D) = ""{}
    }
  2. 在SubShader中创建8个变量,分别对应Properties中的8个properties,以建立和它们之间的链接。
    		CGPROGRAM
    #pragma surface surf Lambert float4 _MainTint;
    float4 _ColorA;
    float4 _ColorB;
    sampler2D _RTexture;
    sampler2D _GTexture;
    sampler2D _BTexture;
    sampler2D _BlendTex;
    sampler2D _ATexture;
  3. 为了根据每一张不同的texture来改变其在地形上的tiling rates(平铺率,可以理解为地上某些区域草比较密集,某些地区石头比较多等),我们需要修改结构体。
    		struct Input {
    float2 uv_RTexture;
    float2 uv_GTexture;
    float2 uv_BTexture;
    float2 uv_ATexture;
    float2 uv_BlendTex;
    };
  4. 在surf函数中,得到每张texture的信息,并分别存储在它们对应的变量中。
    			//Get the pixel data from the blend texture
    //we need a float 4 here because the texture
    //will return R,G,B,and A or X,Y,Z, and W
    float4 blendData = tex2D(_BlendTex, IN.uv_BlendTex); //Get the data from the textures we want to blend
    float4 rTexData = tex2D(_RTexture, IN.uv_RTexture);
    float4 gTexData = tex2D(_GTexture, IN.uv_GTexture);
    float4 bTexData = tex2D(_BTexture, IN.uv_BTexture);
    float4 aTexData = tex2D(_ATexture, IN.uv_ATexture);
  5. 使用lerp函数将四张texture混合。lerp函数有三个参数,lerp(value
    : a, value : b, blend : c)。它从前两个参数中得到数据,并使用最后一个参数混合前两个值。
    			//No we need to contruct a new RGBA value and add all
    //the different blended texture back together
    float4 finalColor;
    finalColor = lerp(rTexData, gTexData, blendData.g);
    finalColor = lerp(finalColor, bTexData, blendData.b);
    finalColor = lerp(finalColor, aTexData, blendData.a);
    finalColor.a = 1.0;
  6. 最后,我们使用blending texture的R通道值混合两个颜色色调值,并将结果与之前的混合值相乘。
    			//Add on our terrain tinting colors
    float4 terrainLayers = lerp(_ColorA, _ColorB, blendData.r);
    finalColor *= terrainLayers;
    finalColor = saturate(finalColor); o.Albedo = finalColor.rgb * _MainTint.rgb;
    o.Alpha = finalColor.a;

整体代码如下:
Shader "Custom/TextureBlending" {
Properties {
_MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1) //Add the properties below so we can input all of our textures
_ColorA ("Terrain Color A", Color) = (1,1,1,1)
_ColorB ("Terrain Color B", Color) = (1,1,1,1)
_RTexture ("Red Channel Texture", 2D) = ""{}
_GTexture ("Green Channel Texture", 2D) = ""{}
_BTexture ("Blue Channel Texture", 2D) = ""{}
_ATexture ("Alpha Channel Texture", 2D) = ""{}
_BlendTex ("Blend Texture", 2D) = ""{}
}
SubShader {
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 200 CGPROGRAM
#pragma surface surf Lambert float4 _MainTint;
float4 _ColorA;
float4 _ColorB;
sampler2D _RTexture;
sampler2D _GTexture;
sampler2D _BTexture;
sampler2D _BlendTex;
sampler2D _ATexture; struct Input {
float2 uv_RTexture;
float2 uv_GTexture;
float2 uv_BTexture;
float2 uv_ATexture;
float2 uv_BlendTex;
}; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
//Get the pixel data from the blend texture
//we need a float 4 here because the texture
//will return R,G,B,and A or X,Y,Z, and W
float4 blendData = tex2D(_BlendTex, IN.uv_BlendTex); //Get the data from the textures we want to blend
float4 rTexData = tex2D(_RTexture, IN.uv_RTexture);
float4 gTexData = tex2D(_GTexture, IN.uv_GTexture);
float4 bTexData = tex2D(_BTexture, IN.uv_BTexture);
float4 aTexData = tex2D(_ATexture, IN.uv_ATexture); //No we need to contruct a new RGBA value and add all
//the different blended texture back together
float4 finalColor;
finalColor = lerp(rTexData, gTexData, blendData.g);
finalColor = lerp(finalColor, bTexData, blendData.b);
finalColor = lerp(finalColor, aTexData, blendData.a);
finalColor.a = 1.0; //Add on our terrain tinting colors
float4 terrainLayers = lerp(_ColorA, _ColorB, blendData.r);
finalColor *= terrainLayers;
finalColor = saturate(finalColor); o.Albedo = finalColor.rgb * _MainTint.rgb;
o.Alpha = finalColor.a;
}
ENDCG
}
FallBack "Diffuse"
}

我们新建一个地形,并把创建的Material赋给它后,可以看到以下效果:

【Unity Shaders】Using Textures for Effects——打包和混合textures


解释


上面的代码看起来有点复杂,但实际上混合的实质非常简单。为了完成以上效果,我们使用了CGFX标准库中内置的lerp函数。该函数允许我们从参数一合参数二之间挑选一个值,并使用参数三作为混合程度。它的工作原理如下所示:
【Unity Shaders】Using Textures for Effects——打包和混合textures

例如,我们想要在1和2之间找到一个中间值,我们可以使用0.5作为第三个参数,那么它将会返回1.5。因为一张texture的四个通道RGBA值都是简单的float类型,取值范围在-到1,因此可以使用它们作为混合程度值,即lerp的第三个参数来完成我们混合texture的需要。

在Shader中,我们仅从blend texture的四个通道中选择一个来控制每个像素颜色的混合结果。例如,我们从grass texture和dirt texture中提取颜色值,并使用blend texture对应的G通道值进行lerp运算。

如果可视化上述计算,可以参见下图:

【Unity Shaders】Using Textures for Effects——打包和混合textures

Shader可以如此简单地使用blend texture的四个通道值,以及其他用于颜色的texture(如grass texture等),来创建出最后的混合而得的texture。这个最后的texture成为我们最终的地形颜色,并会和diffuse light(上述代码中的_MainTint变量)进行乘法运算,来得到最终效果。

细心的话,你可能会好奇上述代码中的两个颜色值_ColorA和_ColorB的用途是什么。从代码里可以看出来我们使用了blend texture的R通道值用于混合这两个颜色值,并和之前4张texture的混合结果相乘,这两个颜色值混合的结果可以看成是该地形本身的颜色,例如有红土地、黄土地、黑土地之类的区别。文章来源地址:https://www.yii666.com/article/754298.html

扩展——灰度图


最后,讲一下灰度图的原理,如果你对灰度图十分了解,那么就可以关闭这个网页了。


当你把四张Textures按不同的顺序对RGBA赋值的话,就会得到不同的效果。

例如,当Material的Inspector按照左边这样赋值后,会得到右面的地形效果。
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如果按照另一个顺序赋值,则会得到不同的效果。
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这里面的原因当然是因为在blend texture中不同的通道值不一样。我们的blend texture如下所示:
【Unity Shaders】Using Textures for Effects——打包和混合textures

正如灰度图的名字所示,灰度图中没有彩色只有灰色,即介于白色和黑色之间的颜色。那么RGBA四个通道的灰度图是如何得到最右边的彩色图的呢?
简单说来,这四个通道分别代表了红、绿、蓝、和透明度四种颜色值的浓度。我们以R通道的灰度图,即最左边的灰度图为例。
在R通道的灰度图中,越亮的部分,即颜色越白的部分,表示红色光在此处越亮,亮度级别越接近1(亮度范围在这里为0到1),表现为颜色越红,这可以从最右边的彩色图看出来(当然还会和蓝绿进行颜色混合得到最后彩色效果)。
相反,越黑的地方表示红色越弱,亮度级别越接近0。

为了方便记忆,我们可以记住下面四条原理:
  1. 通道中的纯白,代表了该色光在此处为最高亮度,亮度级别是1。
  2. 通道中的纯黑,代表了该色光在此处完全不发光,亮度级别是0。
  3. 介于纯黑纯白之间的灰度,代表了不同的发光程度,亮度级别介于0至1之间。
  4. 灰度中越偏白的部分,表示色光亮度值越高,越偏黑的部分则表示亮度值越低。

用到我们的例子中,在进行lerp(value : a,
value : b, blend : c)计算时,当我们使用R通道值作为第三个参数时,R通道灰度图中越亮的部分(值越接近1),在地形表现中越接近值b的结果。在上述代码中,使用R通道混合的是两个颜色值_ColorA和_ColorB。当我们取消其他的影响时,并设置两个颜色值左图所示时,我们可以预测R灰度图中越亮的部分对应到地形中则越接近白色(_ColorB),反之越暗的部分越接近红色(_ColorA),如右图所示:
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以此原理,对应到四个通道,混合就会得到最终的效果。


最后,这篇教程里用到的textures是使用World Machine(有免费版,但是有限制)这个软件创建的。

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