Shaders for Game Programmers and Artists(3) - DOF

DOF(景深)

最简单的现象就是当你用眼睛聚焦到前景的地方，后面就会变模糊， 当用眼睛聚焦到远景的地方，前就会变模糊，相机也会有同样的情况，通过调节光圈和焦距就很容易出现景深的效果。
如果要说景深形成的原理的话，可以用小孔成像来说一天，但是在图形学里面，要做的就一件事 Faking it!

镜头前的东西被模糊，远离镜头的东西比较清晰

Box filter 过于简单，高斯模糊需要两个pass，这里用一个稍微复杂的filter，一次pass就搞定，滤波器是这样的


具体的pixel shader里面是这样的
float fInverseViewportWidth;
float fInverseViewportHeight;
sampler Texture0;

const float4 samples[9] =
{
-1.0, -1.0, 0, 1.0/16.0,
-1.0, 1.0, 0, 1.0/16.0,
1.0, -1.0, 0, 1.0/16.0,
1.0, 1.0, 0, 1.0/16.0,
-1.0, 0.0, 0, 2.0/16.0,
1.0, 0.0, 0, 2.0/16.0,
0.0, -1.0, 0, 2.0/16.0,
0.0, 1.0, 0, 2.0/16.0,
0.0, 0.0, 0, 4.0/16.0
};

float4 ps_main(float2 texCoord: TEXCOORD0) : COLOR
{
float4 col = float4(0,0,0,0);
// Sample and output the averaged colors
for(int i=0;i<9;i++)
col += samples[i].w*tex2D(Texture0,texCoord+
float2(samples[i].x*fInverseViewportWidth,
samples[i].y*fInverseViewportHeight));
return col;
}

基于Depth Impostor的DOF

基本的原理就是首先渲染一个模糊的RT，这个模糊的RT可能会用到很多种pass，比如之前的高斯模糊，还有上面所说的filter，进行多次叠加。
然后根据之前rt里的alpha通道的值进行blend。

在RenderMonkey中具体的做法首先添加一个下面几个变量



相机的几个参数



在绘制模型的时候，要把对应的深度存储到alpha中
 
VSfloat4x4 view_proj_matrix;
float far_clip;
struct VS_OUTPUT
{
float4 Pos: POSITION;
float2 Txr1: TEXCOORD0;
float1 Depth: TEXCOORD1;
};

VS_OUTPUT vs_main(
float4 inPos: POSITION,
float2 Txr1: TEXCOORD0
)
{
VS_OUTPUT Out;
float4 OutPos;
float4 offset;
offset.x = 200;
offset.y = 0;
offset.z = 0;
offset.w = 0;
// Compute the position of the vertex
Out.Pos = OutPos = mul(view_proj_matrix, inPos + offset);
Out.Txr1 = Txr1;

// Send the depth to the pixel shader for encoding
Out.Depth = OutPos.w/far_clip;

return Out;
}

pixel shaderfloat Near_Range;
float Far_Range;
float Near_Dist;
float Far_Dist;
sampler Texture0;
float4 ps_main(
float4 inDiffuse: COLOR0,
float2 inTxr1: TEXCOORD0,
float1 Depth: TEXCOORD1
) : COLOR0
{
// Compute blur factor based on near and far focus planes
float Blur = max(clamp(0,1, 1 - (Depth-Near_Dist)/Near_Range),
clamp(0,1, (Depth-(Far_Dist-Far_Range))/Far_Range));

// Output constant color:
return float4(tex2D(Texture0,inTxr1).rgb,Blur);
}

注意，Shader中所有的运算都是行主序!
注意，Shader中所有的运算都是行主序!
注意，Shader中所有的运算都是行主序!



具体来看下这个运算流程，
在VS中
Out.Pos = OutPos = mul(view_proj_matrix, inPos + offset);经过这一步的计算，Out.Pos的w取值范围就是(0， far_clip)

Out.Depth = OutPos.w/far_clip;

这一步将深度映射到0到1.
 
再看ps
float Blur = max(clamp(0,1, 1 - (Depth-Near_Dist)/Near_Range), clamp(0,1,(Depth-(Far_Dist-Far_Range))/Far_Range));

这里是计算Blur值，也是后面进行blend的参数。Blend的取值范围如下



在nearRange之前和FarDist之后，取值都是1，中间部分是0，其余的部分是在0到1之前线性变化。根据NearRange，NearDis，FarRange，FarDist这几个值，就可以获得不同的景深效果。

模糊的rt处理这里就不说了，最好叠加个两三次。

最后在present的时候，只需要根据alpha值进行两张rt的Blend就可以了





看一下深度的Texture

‘

这种做法的效果是可以接受的，但是有一个问题，它占用了常规渲染的alpha通道，通常屏幕空间的效果应该是可以随意地进行开关，跟主渲染耦合没那么大才是最好的，而且这也意味着其他的effect没法用alpha通道了。

一种解决办法是渲染两次，就是下面将要介绍的
在常规渲染的同时开一张rt去把深度记录起来，专门用来给后面的effect用，比如热雾效果等。

Two Pass DOF

为了不干扰常规的渲染流程，新开一张Depth的rt来存储深度信息，每一个drawcall都要对DepthRT进行一次写入，所以drawcall多的话，也会很耗费性能。

对于深度信息的写入，float4 ps_main(
float4 inDepth: TEXCOORD0
) : COLOR0
{
// Output the depth as computed by
// the vertex shader
float4 Depth;
Depth.w = 1.0;
Depth.x = floor(inDepth.x*127)/127;
Depth.y = floor((inDepth.x-Depth.x)*127*127)/127;
Depth.z = 0;

return Depth;
}

在最后的present阶段，Ps
float viewport_inv_width;
float viewport_inv_height;
float Near_Dist;
float Far_Dist;
float Near_Range;
float Far_Range;
sampler Texture0;
sampler Texture1;
sampler Texture2;
float4 ps_main(float2 texCoord: TEXCOORD0) : COLOR
{
// Sample and decode our depth value
float4 DepthValue = tex2D(Texture2,texCoord);
float Depth = DepthValue.r + DepthValue.g/127
+ DepthValue.b/(127*127);

// Sample our regular and blurred scene
float4 BlurColor = tex2D(Texture1,texCoord);
float4 SceneColor = tex2D(Texture0,texCoord);

// Use the defined ranges to determine the proper
// combination of both render targets based on
// the distance.
float Blur = max(clamp(0,1, 1 - (Depth-Near_Dist)/Near_Range),
clamp(0,1, (Depth-(Far_Dist-Far_Range))/Far_Range));

return lerp(SceneColor,BlurColor,clamp(0,1,Blur));
}



读取深度信息，读取模糊的颜色，读取常规渲染的颜色，计算混合参数，最后进行混合。
打完收工。

看下结果，首先是远景的虚化



Depth buff是这样的



近景的虚化，效果是这样





每一个pass


效果基本没有变化，但是流程显得更加干净，不过多了一张rt，多了两个pass。

如果想做到多层次比较平滑的虚化效果，那就要再加rt来存储不同程度的模糊程度图像，在最后根据blur值来进行不同的blend。

一点优化

将Blur的取值渲染到一个一维rt里面，每次去查询blur值得时候只要采样一下这个纹理就可以了。

Vs

float4x4 view_proj_matrix;
struct VS_OUTPUT {
float4 Pos: POSITION;
float2 texCoord: TEXCOORD0;
};

VS_OUTPUT vs_main(float4 Pos: POSITION){
VS_OUTPUT Out;

// Simply output the position without transforming it
Out.Pos = float4(Pos.xy, 0, 1);

// Texture coordinates are setup so that the full texture
// is mapped completeley onto the screen
Out.texCoord.x = 0.5 * (1 + Pos.x);
Out.texCoord.y = 0.5 * (1 - Pos.y);

return Out;
}

Ps
float viewport_inv_width;
float viewport_inv_height;
float Near_Dist;
float Far_Dist;
float Near_Range;
float Far_Range;
sampler Texture0;
sampler Texture1;
sampler Texture2;
float4 ps_main(float2 texCoord: TEXCOORD0) : COLOR
{
float Depth = texCoord.x;
float Blur = max(clamp(0,1, 1 - (Depth-Near_Dist)/Near_Range),
clamp(0,1, (Depth-(Far_Dist-Far_Range))/Far_Range));

return Blur;
}


取Blur值
return float4(tex2D(Texture0,inTxr1).rgb,tex1D(Texture1,Depth).a);
这样就省去了每次都去计算一遍算式的成本，特别是当blur的计算特别复杂的时候。