Unity Shader 螢幕後效果邊緣檢測

關於螢幕後效果的控制類詳細見之前寫的另一篇部落格：

這篇主要是基於之前的控制類，實現另一種常見的螢幕後效果——邊緣檢測。

概念和原理部分：

首先，我們需要知道在圖形學中經常處理畫素的一種操作——卷積。

卷積操作的實質在於，對於影象中的每個畫素與其周圍的畫素進行的重新融合計算行為，以得到不同的畫素處理效果，例如銳化影象，模糊影象，檢測邊緣等。

卷積操作通過不同的畫素融合演算法能得到各不相同的效果，這主要依賴於卷積核。

可以把卷積核看作是乙個n行n列方陣，原始畫素則位於方陣的中心。

邊緣檢測的卷積核也叫邊緣檢測運算元，以sobel運算元為例，形如：

需要特別注意的是，這裡的sobel運算元是基於座標軸以螢幕左上為原點，右下分別為+x,+y方向的，而不是類似於uv座標軸的以螢幕左下為原點，右上分別為+x,+y方向的。這一點需要特別注意，不然後面的程式很容易寫錯。

其中gx和gy分別是縱向和橫向兩個方向的邊緣線檢測，你可以通過去掉矩陣中的零元素來想象，因為零元素不會對畫素產生任何影響。也就是說，gx是為了計算橫向的梯度值，gy為了計算縱向的梯度值。

橫向的梯度值檢測出來的是縱向的邊緣線，縱向的梯度值檢測出來的是橫向的邊緣線。這一點非常容易混淆，需要特別注意。

利用邊緣檢測運算元除了融合畫素外，主要是為了計算出畫素的梯度值。

乙個畫素和周圍的畫素之間梯度值很高，意味著它與周圍的畫素差異很大，我們可以想象這個畫素和周圍的畫素格格不入，存在乙個無法逾越的階梯；那麼就可以這麼認為，這個畫素可以作為一條邊界中的值。

對影象中的每個畫素都如此處理，最終就能得到影象的邊緣。這也就是邊緣檢測的實質內容。

計算方法：

1.得到每個畫素周圍的8個畫素的座標位置以便與sobel運算元進行計算，類似於：（排列方式應該與sobel運算元的座標軸保持一致）

uv[0]

uv[1]

uv[2]

uv[3]

uv[4]（原始畫素點）

uv[5]

uv[6]

uv[7]

uv[8]

但因為uv座標的原點在左下角，因此在計算uv[0]-uv[8]時，若依據uv[4]為原始畫素點，則它們的偏移可以表示為如下情況：

(-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.通過偏移值可以很快計算出目標畫素的周圍畫素位置座標資訊，隨後與gx和gy對應元素分別進行橫向和縱向的梯度值計算，也就是分別進行縱向和橫向的邊緣檢測：

具體計算方法為：先對卷積核進行180度翻轉，得到新的矩陣，隨後各項對應元素相乘並相加，注意，不要與矩陣的乘法計算混淆。

但因為sobel運算元是否執行翻轉操作對計算結果沒有任何影響，故對於sobel運算元來說，翻轉操作可以省略。

gx和gy計算結束後再將它們開平方和；但往往為了簡化gpu的計算量，可以直接取各自的絕對值再相加，得到最終的梯度值g。

3.計算出梯度值後對原始的取樣結果進行關於g的插值操作以得到最終的影象。

程式實現：

首先是引數調控的指令碼：

1 using unityengine;
2  3 public class edgedetectionctrl : screeneffectbase
4 25         else
26             graphics.blit(source, destination);
27     }
28 }

同樣是繼承自screeneffectbase基類，三個引數的意義分別如下：

edgeonly（shader中：_edgeonly）：邊緣線的疊加程度，0表示完全疊加，1表示只顯示邊緣線，不顯示原圖

edgecolor（shader中：_edgecolor）：邊緣線的顏色

backgroundcolor（shader中：_backgroundcolor）：背景顏色，當只顯示邊緣線時，可以很清晰看出

基類指令碼見：

下面是shader指令碼：

1 shader "myunlit/edgedetection"
2 6     }
7     subshader
8     
10 11         pass
12         ;
30 31             struct v2f
32             ;
37 38             sampler2d _maintex;
39             //紋理對映到[0,1]之後的大小,用於計算相鄰區域的紋理座標
40             half4 _maintex_texelsize;
41             //定義控制指令碼中對應的引數
42             fixed _edgeonly;
43             fixed4 _edgecolor;
44             fixed4 _backgroundcolor;
45 47             
67             //計算對應畫素的最低灰度值並返回
68             fixed mingraycompute(v2f i,int idx) 
69             
72             //利用sobel運算元計算最終梯度值
73             half sobel(v2f i) 
74             ;
80                 const half gy[9] = ;
85                 //分別計算橫向和縱向的梯度值，方法為各項對應元素相乘並相加
86                 half grax = 0;
87                 half gray = 0;
88 89                 for (int it = 0; it < 9; it++) 
90                 
94                 //絕對值相加近似模擬最終梯度值
95                 return abs(grax) + abs(gray);
96              }
97 98             fixed4 frag (v2f i) : sv_target
99             
110             endcg
111         }
112     }
113 }

效果如下：

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