【光照】UnityURP[泛光Bloom]原理与实现

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泛光效果概述与发展历史

泛光(Bloom)是一种后处理效果，用于模拟真实世界中明亮光源或高反射表面产生的光晕现象。在Unity中，泛光效果经历了以下发展历程：

‌内置渲染管线时期‌：

• 早期Unity版本中，泛光作为标准图像效果(Image Effects)的一部分，通过屏幕空间处理实现。

‌LWRP时期‌：

• Unity推出轻量级渲染管线(Lightweight Render Pipeline)后，泛光效果被重新设计以适应移动*台，性能得到优化。

‌URP时期‌：

• 2019.3版本后，LWRP更名为URP(Universal Render Pipeline)，泛光效果成为URP后处理堆栈的核心组件之一，支持更广泛的*台和更高质量的渲染。

泛光实现原理

泛光效果的技术实现主要分为以下几个步骤：

亮度提取→模糊处理→最终合成→（色调映射 Tonemapping）

‌亮度提取‌

• 首先从渲染图像中提取出高于特定亮度阈值的区域。这通常通过阈值比较和高通滤波实现。

‌模糊处理‌

• 对提取的亮区进行多次降采样和模糊处理(通常使用高斯模糊或Kawase模糊)，创建光晕扩散效果。

‌合成阶段‌

• 将模糊后的亮区与原图像按特定强度混合，产生最终的泛光效果。

‌色调映射‌

• 在HDR渲染管线中，泛光通常与色调映射(Tonemapping)协同工作，确保在高动态范围下效果自然。

URP中的泛光实现优化了传统方法，采用更高效的模糊算法和GPU加速处理，使其在移动设备上也能良好运行。

URP中泛光的具体实现

URP通过可编程渲染管线(SRP)架构实现泛光效果，主要特点包括：

• ‌单Pass前向渲染‌：URP使用单Pass处理所有光源，相比内置管线的多Pass更高效。
• ‌SRP Batcher支持‌：通过批处理优化减少Draw Call，提高泛光等后处理效果的渲染效率。
• ‌模块化设计‌：泛光作为后处理堆栈中的一个独立模块，可以灵活启用或禁用。
• ‌跨*台兼容‌：URP泛光针对不同硬件*台进行了优化，确保在各种设备上都能获得良好效果。

亮度提取 URP具体实现

亮度提取是泛光效果的第一步，目的是从渲染图像中分离出需要产生光晕的高亮区域。URP采用以下技术实现：

• ‌亮度计算‌：通过公式 0.2125 * color.r + 0.7154 * color.g + 0.0721 * color.b 计算像素亮度，其中绿色通道权重最高，符合人眼对绿色更敏感的特性。

• ‌阈值处理‌：使用_BloomThreshold参数控制哪些像素参与泛光效果，只有亮度超过此阈值的像素才会被保。

• ‌软过渡处理‌：为避免硬边缘，URP采用软过渡公式：

  hlsl
  half softness = clamp(brightness - _BloomThreshold + ThresholdKnee, 0.0, 2.0 * ThresholdKnee);
  softness = (softness * softness) / (4.0 * ThresholdKnee + 1e-4);
  half multiplier = max(brightness - _BloomThreshold, softness) / max(brightness, 1e-4);
  color *= multiplier;
  

  • 这种处理方式使得亮度在阈值附*有*滑过渡，避免出现明显分界线

模糊处理 URP具体实现

模糊处理是泛光效果的核心，URP采用优化的多级高斯模糊实现：

• ‌降采样链‌：首先创建一系列降采样纹理，每级分辨率减半，形成图像金字塔。例如从全分辨率开始，依次生成1/2、1/4、1/8等分辨率的纹理。

• ‌双Pass模糊‌：对每级纹理执行水*和垂直两个方向的模糊处理：

  • 水*模糊Pass：采样当前像素左右相邻像素，按高斯权重混合
  • 垂直模糊Pass：采样当前像素上下相邻像素，按高斯权重混合这种分离式模糊大幅减少了采样次数，从O(n²)降到O(2n)。

• ‌模糊权重‌：URP使用优化的5-tap高斯核，权重分配如下：

  hlsl
  color += 0.4026 * tex2D(_MainTex, i.uv);// 中心像素
  color += 0.2442 * tex2D(_MainTex, i.uv01.xy);// 相邻像素
  color += 0.2442 * tex2D(_MainTex, i.uv01.zw);// 相邻像素
  color += 0.0545 * tex2D(_MainTex, i.uv23.xy);// 远距离像素
  color += 0.0545 * tex2D(_MainTex, i.uv23.zw);// 远距离像素
  

  • 这种权重分配在保证质量的同时最大化性能

合成阶段 URP具体实现

模糊后的亮区需要与原图像混合产生最终效果：

• ‌上采样混合‌：从最低分辨率纹理开始，逐级上采样并与上一级结果混合，形成*滑的光晕渐变。

• ‌最终合成‌：使用公式：

  hlsl
  fixed4 resColor = mainColor + _BloomIntensity * blurColor * _BloomColor;
  

  其中_BloomIntensity控制泛光强度，_BloomColor可为泛光添加色调。

• ‌散射控制‌：通过_Scatter参数调节光晕的扩散范围，值越大光晕范围越广

如何与色调映射协同工作

在HDR渲染中，泛光效果需要与色调映射(Tonemapping)协同工作才能产生最佳效果：

• ‌HDR处理流程‌：URP首先在HDR空间完成泛光计算，最后应用色调映射将结果转换到显示器的LDR范围。
• ‌ACES色调映射‌：URP默认使用ACES(学院色彩编码系统)色调映射，它能：
  • 保留高光细节，避免过曝
  • 提供电影级的色彩响应
  • 与泛光效果自然融合。
• ‌中性模式‌：对于需要精确色彩控制的项目，可使用中性色调映射模式，它对色相和饱和度影响最小，适合作为复杂色彩处理的起点。
• ‌动态范围压缩‌：色调映射将HDR场景的宽动态范围压缩到显示设备能表现的范围内，同时保持泛光效果的自然过渡

Unity URP中使用泛光的完整示例

以下是在Unity URP项目中设置和使用泛光效果的完整步骤：

‌确保项目使用URP‌：

• 通过Package Manager安装Universal RP包
• 创建URP Asset并分配给Graphics和Quality设置

‌启用后处理效果‌：

• 在URP Asset中勾选"Post-processing"选项
• 为摄像机添加"Volume"组件

‌配置泛光效果‌：

• 创建新的Volume Profile或在现有Profile中添加"Bloom"效果
• 调整泛光参数(阈值、强度、散射等)

‌参数详解‌：

• ‌Threshold‌：控制哪些像素会参与泛光计算(亮度阈值)

• ‌Intensity‌：泛光效果的总体强度

• ‌Scatter‌：控制光晕的扩散程度

• ‌Tint‌：为泛光效果添加颜色色调

• ‌High Quality Filtering‌：启用更高质量的过滤模式

• BloomExample.cs

  using UnityEngine;
  using UnityEngine.Rendering;
  using UnityEngine.Rendering.Universal;public class BloomController : MonoBehaviour
  {private Volume volume;private Bloom bloom;void Start(){// 获取Volume组件volume = GetComponent<Volume>();// 尝试获取Bloom效果if(volume.profile.TryGet(out bloom)){// 初始化泛光参数bloom.threshold.Override(1.0f);bloom.intensity.Override(1.5f);bloom.scatter.Override(0.7f);}}// 动态调整泛光强度public void SetBloomIntensity(float intensity){if(bloom != null){bloom.intensity.Override(intensity);}}
  }
  

性能优化建议

‌移动*台优化‌：

• 降低泛光迭代次数
• 使用较低的渲染分辨率
• 限制泛光影响范围

‌质量与性能*衡‌：

• 根据目标*台调整泛光质量设置
• 在低端设备上考虑禁用或简化泛光效果

‌结合其他效果‌：

• 泛光常与色调映射、色彩校正等效果配合使用
• 注意效果叠加的性能消耗

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