Shader篇 — 景深-

游戏中常常会使用多种后处理效果来增强表现力，而景深是常见的后处理效果之一。

简介

对于一个画面，我们常常想要突出某个对象，因此会将对象以外的其他区域进行模糊处理，只有对象保持清晰，这种效果就是景深。在游戏中，我们要实现景深效果有很多方式，如
- 分离背景和目标对象，将背景模糊后再和目标对象组合。
- 指定固定的区域，区域外的进行模糊处理，区域内的保持清晰。
- 指定一个距离范围，在此距离范围外的进行模糊处理，范围内的保持清晰。
当目标对象前面有其他物体产生遮挡时，使用第三种方案能较好地实现景深效果，后面将以第三种方案实现景深效果。

实现

景深的主要步骤为：
- 获取深度纹理。
- 比对深度值。
- 输出颜色。

获取深度纹理

为了要知道每个对象和相机的距离，我们需要获取当前渲染的深度纹理，通过采样深度纹理，就可以定位每个片元的深度值，即可以知道哪些片元是属于背景或前景，需要模糊，哪些片元是属于目标对象，需要保持原状。
Unity中提供了获取深度纹理的方法，当我们在 CSharp 中设置相机的深度模式后，在Shader就能获得对应的深度纹理。CSharp 中的设置逻辑为：

    ...
    Camera cam = GetComponent<Camera>();
    cam.depthTextureMode = DepthTextureMode.Depth;

有三种可能的深度纹理模式：
- DepthTextureMode.Depth ：深度纹理。
- DepthTextureMode.DepthNormals ：深度和视图空间法线打包到一个纹理中。
- DepthTextureMode.MotionVectors ：当前帧的每个屏幕纹素的每像素屏幕空间运动。包装成 RG16 纹理。
设置完成后，在 Shader 中使用对应的变量 _CameraDepthTexture（对应 DepthTextureMode.Depth）即可以获取深度纹理。

Shader "XXXXXXXX"
{
    Properties
    {
        ...
    }

    SubShader
    {
        Pass
        {
            ...

            sampler2D _CameraDepthTexture;
            
            ...
        }
    }

    ...
}

渲染进深度纹理的对象，需要具备以下条件：
- 渲染队列 ≤ 2500 。
- Shader 或者 FallBack 的 Shader 中有 ShadowCaster 的 Pass ，一般情况下FallBack 设置为 “Diffuse” 即可。
```
  Pass 
  {
      Name "ShadowCaster"
      Tags { "LightMode" = "ShadowCaster" }
  }
```

比对深度值

通过设置并声明深度图后，就得到了当前帧的深度纹理 _CameraDepthTexture 。为了得到深度信息，需要采样深度图。

      float4 frag(v2f i) : SV_Target
      {
          float d = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv[0]);
          ...
      }
...

SAMPLE_DEPTH_TEXTURE 是 Unity 封装好的采样方法，具体实现为


#   define SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(sampler, uv) (tex2D(sampler, uv).r)

一般情况下，也可以自己使用 tex2D 方法采样，获取 r 分量作为深度值。而使用 Unity 封装的方法，则在某些平台上，就不需要自己再进行一些特殊处理。
采样出来的深度值 d ，往往是非线性的（透视投影），所以需要变换到线性空间下，Unity 提供了变换的方法，即 Linear01Depth 和 LinearEyeDepth 。


// Z buffer to linear 0..1 depth
inline float Linear01Depth( float z )
{
    return 1.0 / (_ZBufferParams.x * z + _ZBufferParams.y);
}
// Z buffer to linear depth
inline float LinearEyeDepth( float z )
{
    return 1.0 / (_ZBufferParams.z * z + _ZBufferParams.w);
}

这里我们使用 LinearEyeDepth ，能比较直观地对比深度值。

      float4 frag(v2f i) : SV_Target
      {
          float d = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv[0]);
          float z = LinearEyeDepth(d);
          ...
      }

此时， z 值即为当前距离相机的深度值。当设置当前的目标范围为 (_Near, _Far) 时，如果在目标范围内，用 1 表示，不在范围内，则用 0 表示。

      float4 frag(v2f i) : SV_Target
      {
          float d = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv[0]);
          float z = LinearEyeDepth(d);
      
          float near = sign(z - _Near);
          float far = sign(_Far - z);
      
          ...
      }

当 z > _Near 时， near 为 1，表示满足最小值，否则为 0 。同样，当 z < _Far 时，表示满足最大值，否则为 0 。
因此，当 near * far 为 1 ，表示当前 z 处于 (_Near, _Far) 中，不需要模糊处理，即得到当前深度值的比对结果。

输出颜色

当知道每个片元是否属于目标范围后，就可以输出最终的目标颜色。
- 属于目标范围，直接采样纹理输出对应颜色值。
- 不属于目标范围，需要进行模糊处理，输出处理后的颜色值。
模糊处理有很多种方式，如高斯模糊等。这里使用简单的均值模糊来实现。


      v2f vert(a2v i)
      {
      	  v2f o;
      	  o.pos = UnityObjectToClipPos(i.position);
      	  o.uv[0] = i.uv;
      	  o.uv[1] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(-1, -1) * _BlurSize;
      	  o.uv[2] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(0, -1) * _BlurSize;
      	  o.uv[3] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(1, -1) * _BlurSize;
      	  o.uv[4] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(0, -1) * _BlurSize;
      	  o.uv[5] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(0, 1) * _BlurSize;
      	  o.uv[6] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(1, -1) * _BlurSize;
      	  o.uv[7] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(1, 0) * _BlurSize;
      	  o.uv[8] = i.uv + _MainTex_TexelSize.xy * float2(1, 1) * _BlurSize;
      	  return o;
      }
      
      float4 frag(v2f i) : SV_Target
      {
      	  float d = SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(_CameraDepthTexture, i.uv[0]);
      	  float z = LinearEyeDepth(d);
      	  float near = sign(z - _Near);
      	  float far = sign(_Far - z);
      
      	  float blur = (1 - near * far) * 8 ;
      	  float count = blur + 1;
      	  float4 sum = tex2D(_MainTex, i.uv[0]) / count;
      	  // 中心像素占0.3，周围像素各占0.0875，避免均值模糊导致变暗
      	  sum *= 1 + 2 * blur / 8; 
      	  for(int j = 1; j < count; j++)
      	  {
      	  	  sum += tex2D(_MainTex, i.uv[j]) * 0.0875;
      	  }
      	  float4 color = sum;
      
      	  return color;
      }

如果在目标范围内，则只采样当前像素的颜色。如果不在目标范围内，则会额外采样周围的8个像素颜色，然后进行混合模糊。
_BlurSize 用来控制模糊采样的像素位置取值，越大则取间隔越远的像素，使得模糊效果更加明显。

常规效果

景深效果

性能分析

当我们使用深度图来实现景深效果时，增加了一个获取深度图的流程，通过 Unity 的 FrameDebugger 工具，渲染过程如下：

左：获取深度图右：不获取深度图
可以看到，当获取深度图时，增加了一个 UpdateDepthTexture 的流程，即更新深度图。在此过程中，会做一次 Clear 操作，然后对符合条件的对象进行一次渲染。当前示例中有 4 个对象，所以多了 5 个 drawcall ，即每个符合的对象都会被渲染两次。当场景比较复杂时，符合条件的对象会有很多，那么 drawcall 会接近翻倍，性能上会有较大的影响。
因此，如果在场景本身已经存在深度图的时候，使用这种方式实现景深效果则不会额外增加渲染压力，否则需要进行斟酌。

总结

使用深度图实现景深效果，对于目标区间比较容易控制，能较方便控制需要突出的区间。然而，由于其性能上的限制，很多情况下，往往会舍弃一些表现效果，选择其他性能消耗较低的方案来实现，需要开发者根据项目需求进行抉择。
Demo示例工程： https://github.com/FallingXun/ShaderDemo/tree/main/DepthOfField

简介

实现

获取深度纹理

比对深度值

输出颜色

性能分析

总结

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