3D游戏引擎系列十一

笔者介绍：姜雪伟，IT公司技术合伙人，IT高级讲师，CSDN社区专家，特邀编辑，畅销书作者，国家专利发明人;已出版书籍：《手把手教你架构3D游戏引擎》电子工业出版社和《Unity3D实战核心技术详解》电子工业出版社等。

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后处理是游戏场景渲染的重要一环，利用这节给读者介绍运用于场景中的后处理渲染效果，后处理效果也是体现GPU强大的处理能力。最常用的后处理效果渲染：Bloom渲染、Blur渲染、HDR渲染等被称为后处理渲染。Bloom渲染又称为全屏泛光，后处理渲染在端游里应用的最广泛，通俗的讲就是场景首先经过CPU处理后，是每帧处理后再通过GPU在原有渲染的基础上再渲染一遍，最后将其在屏幕上显示出来的过程称为后处理渲染。实现方式新建一个文本文件把扩展名改成.fx。在编写Shader文件之前先讲一下Bloom实现原理主要分为4步：

1、提取原场景贴图中的亮色；

2、针对提取贴图进行横向Blur模糊；

3、在横向模糊基础上进行纵向Blur模糊；

4、所得贴图与原场景贴图叠加得最终效果图。

根据这4个步骤，开始着手编写Shader代码，还是新建一个文本文件将扩展名命名为fx。对应的Shader完整代码如下所示：

texture texSource;
texture texScene;struct VS_INPUT
{float4 pos : POSITION;float2 uv  : TEXCOORD0;
};struct VS_OUTPUT
{float4 pos : POSITION;float2 uv  : TEXCOORD0;
};VS_OUTPUT quad_vs(VS_INPUT vert)
{VS_OUTPUT vsout = (VS_OUTPUT)0;vsout.pos = vert.pos;vsout.uv = vert.uv;return vsout;
}sampler sourceSampler = sampler_state
{   Texture = <texSource>;MinFilter = LINEAR;MagFilter = LINEAR;
};// 向下取样
//---------------------------------------------------
const float HighlightThreshold = 0.5;float luminance(float3 c)
{return dot( c, float3(0.3, 0.59, 0.11) );
}// this function should be baked into a texture lookup for performance
float highlights(float3 c)
{return smoothstep(HighlightThreshold, 1.0, luminance(c.rgb));
}float4 ps_downsample(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR
{float4 color = tex2D(sourceSampler, uv);// store hilights in alphacolor.a = highlights(color);return color;
}// blur
//----------------------------------------------------------------
// blur filter weights
const float weights7[7] = {0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.2, 0.1, 0.05};
//横向Blur
float4 ps_hblur(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR
{float texelSize = 1.0f/512.0f;    //1除以贴图大小float4 color = 0;for(int i=0; i<7; i++){// 把uv的生成放到vs会节省很多运算float2 uvi = uv + float2(texelSize*(i-3),0);color += tex2D(sourceSampler, uvi) * weights7[i];}return color;
}//纵向Blur
float4 ps_vblur(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR
{float texelSize = 1.0f/384.0f;    //1除以贴图大小float4 color = 0;for(int i=0; i<7; i++){// 把uv的生成放到vs会节省很多运算float2 uvi = uv + float2(0, texelSize*(i-3));color += tex2D(sourceSampler, uvi) * weights7[i];}return color;
}// 组合
//------------------------------------------------------------------
sampler sceneSampler = sampler_state
{   Texture = <texScene>;MinFilter = None;MagFilter = None;AddressU = CLAMP;AddressV = CLAMP;
};float4 ps_compose(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR
{float4 blurColor = tex2D(sourceSampler, uv);float4 sceneColor = tex2D(sceneSampler, uv);return sceneColor*0.8 + blurColor*0.2 + blurColor*blurColor.a;
}// technique
//------------------------------------------------------------------
technique PP_Bloom
{pass DownSample{CullMode = none;ZEnable = false;ZWriteEnable = false;VertexShader = compile vs_1_1 quad_vs();PixelShader = compile ps_2_0 ps_downsample();}pass HBlur{VertexShader = compile vs_1_1 quad_vs();PixelShader = compile ps_2_0 ps_hblur();}pass VBlur{VertexShader = compile vs_1_1 quad_vs();PixelShader = compile ps_2_0 ps_vblur();}pass Compose{VertexShader = compile vs_1_1 quad_vs();PixelShader = compile ps_2_0 ps_compose();}
}

以上是整个Shader代码的编写，接下来对于一些核心知识点重点介绍一下：第一步是实现提取原场景贴图中的亮色，因为Bloom又称为全屏泛光，所以要提取贴图中的亮色。对应的代码函数如下所示：

const float HighlightThreshold = 0.5;float luminance(float3 c)
{return dot( c, float3(0.3, 0.59, 0.11) );
}// this function should be baked into a texture lookup for performance
float highlights(float3 c)
{return smoothstep(HighlightThreshold, 1.0, luminance(c.rgb));
}

第二步在第一步的基础上，针对需要渲染的贴图进行横向Blur模糊。函数代码如下：

const float weights7[7] = {0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.2, 0.1, 0.05};    float4 ps_hblur(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR
{float texelSize = 1.0f/512.0f;    //1除以贴图大小float4 color = 0;for(int i=0; i<7; i++){// 把uv的生成放到vs会节省很多运算float2 uvi = uv + float2(texelSize*(i-3),0);color += tex2D(sourceSampler, uvi) * weights7[i];}return color;
}

第三步在第二步的基础上，针对提取贴图进行纵向Blur模糊。函数代码如下：

float4 ps_vblur(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR
{float texelSize = 1.0f/384.0f;    //1除以贴图大小float4 color = 0;for(int i=0; i<7; i++){// 把uv的生成放到vs会节省很多运算float2 uvi = uv + float2(0, texelSize*(i-3));color += tex2D(sourceSampler, uvi) * weights7[i];}return color;
}

第四步将模糊处理的图片和原场景贴图分别进行纹理取样，最后将二者按照线性公式混合处理得到最终的结果。函数代码如下：

sampler sceneSampler = sampler_state
{   Texture = <texScene>;MinFilter = None;MagFilter = None;AddressU = CLAMP;AddressV = CLAMP;
};float4 ps_compose(float2 uv : TEXCOORD0) : COLOR
{float4 blurColor = tex2D(sourceSampler, uv);float4 sceneColor = tex2D(sceneSampler, uv);return sceneColor*0.8 + blurColor*0.2 + blurColor*blurColor.a;
}

下面开始介绍在引擎中的实现了，其C＋＋实现也是根据Shader的思路编写的。首先通过函数创建三张纹理，这三张纹理都是在内存中的，第一张用于存放游戏中提取原场景贴图中的亮色，第二张用于存放横向模糊的图片，第三张用于存放纵向模糊的图片。另外编写的Shader文件必须要程序加载才能生效，C++方面也有对应着Shader编程的代码，主要分了四步：取样，横向Blur，纵向Blur，组合。现将C++核心代码展示如下：

bool PostProcessBloom::init(IDirect3DDevice9 *pD3DDevice)
{m_pD3DDevice = pD3DDevice;if(!m_scene.init(pD3DDevice))return false;// 创建所需的render targetsHRESULT hr = pD3DDevice->CreateTexture(clientWidth, clientHeight,1,//mip-mapD3DUSAGE_RENDERTARGET,D3DFMT_A8R8G8B8,D3DPOOL_DEFAULT,&m_pRTFull,NULL);if(FAILED(hr))return false;//创建纹理存放横向Blurhr = pD3DDevice->CreateTexture(clientWidth/2, clientHeight/2,1,//mip-mapD3DUSAGE_RENDERTARGET,D3DFMT_A8R8G8B8,D3DPOOL_DEFAULT,&m_pRTQuarterA,NULL);if(FAILED(hr))return false;hr = pD3DDevice->CreateTexture(clientWidth/2, clientHeight/2,1,//mip-mapD3DUSAGE_RENDERTARGET,D3DFMT_A8R8G8B8,D3DPOOL_DEFAULT,&m_pRTQuarterB,NULL);if(FAILED(hr))return false;// create effectm_pEffect = DrawingUtil::getInst()->loadEffect(pD3DDevice,"Shader\\Bloom.fx");// pictuehr = D3DXCreateTextureFromFileEx(pD3DDevice, "Media\\gf.jpg",D3DX_DEFAULT_NONPOW2, D3DX_DEFAULT_NONPOW2,1, //mip lv0,//usageD3DFMT_A8R8G8B8,D3DPOOL_MANAGED,D3DX_DEFAULT,D3DX_DEFAULT,0,NULL,NULL,&m_pPic);if(FAILED(hr))return false;D3DSURFACE_DESC sd;hr = m_pPic->GetLevelDesc(0, &sd);return m_screenQuad.init(pD3DDevice);
}void PostProcessBloom::render()
{HRESULT hr;IDirect3DTexture9 *pScene = NULL;if(m_bUsePic)pScene = m_pPic;else{// 把场景渲染到RT fullSetRenderTarget SRT(m_pD3DDevice, m_pRTFull);m_scene.render();pScene = m_pRTFull;}UINT numPass = 0;hr = m_pEffect->Begin(&numPass,0);assert(numPass == 4);// down sample{hr = m_pEffect->SetTexture("texSource", pScene);hr = m_pEffect->BeginPass(0);SetRenderTarget SRT(m_pD3DDevice, m_pRTQuarterA);m_screenQuad.draw();hr = m_pEffect->EndPass();}// H blur{hr = m_pEffect->SetTexture("texSource", m_pRTQuarterA);hr = m_pEffect->BeginPass(1);SetRenderTarget SRT(m_pD3DDevice, m_pRTQuarterB);m_screenQuad.draw();hr = m_pEffect->EndPass();}// V blur{hr = m_pEffect->SetTexture("texSource", m_pRTQuarterB);hr = m_pEffect->BeginPass(2);SetRenderTarget SRT(m_pD3DDevice, m_pRTQuarterA);m_screenQuad.draw();hr = m_pEffect->EndPass();}// composehr = m_pEffect->SetTexture("texSource", m_pRTQuarterA);hr = m_pEffect->SetTexture("texScene", pScene);hr = m_pEffect->BeginPass(3);m_screenQuad.draw();hr = m_pEffect->EndPass();hr = m_pEffect->End();
}

上述代码是根据我们说的Bloom四步法实现的，C++代码中设置了四个Pass通道与Shader文件对应着处理。Bloom渲染技术也是面试官经常询问的问题，比如问面试者关于Bloom实现的原理，希望通过本节课的讲解对大家有所帮助。Bloom后处理渲染在游戏中的效果如下图：

Bloom在端游特别是次时代游戏中使用是最多的，可以说是必不可少的后处理渲染，在评价一款游戏品质方面也占很大的比重，所以必须要重点掌握。

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