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后期处理

萌宠菠菠乐园
2024-09-30 21:39

后期处理

原文 Postprocessing 作者 JoeydeVries 翻译包纸校对暂无

Note

本节暂未进行完全的重写，错误可能会很多。如果可能的话，请对照原文进行阅读。如果有报告本节的错误，将会延迟至重写之后进行处理。

如果我们可以通过几个后期处理(Postprocess)特效丰富Breakout游戏的视觉效果的话，会不会是一件很有趣的事情？利用OpenGL的帧缓冲，我们可以相对容易地创造出模糊的抖动效果、反转场景里的所有颜色、做一些“疯狂”的顶点运动、或是使用一些其他有趣的特效。

Important

这章教程广泛运用了之前帧缓冲与抗锯齿章节的概念。

在教程的帧缓冲章节里，我们演示了如何使用单个纹理，通过后期处理特效实现有趣的效果（反相、灰度、模糊、锐化、边缘检测）。在Breakout中我们将做一些类似的事情：我们会创建一个帧缓冲对象，并附带一个多重采样的渲染缓冲对象作为其颜色附件。游戏中所有的渲染相关代码都应该渲染至这个多重采样的帧缓冲，然后将其内容传输(Bit blit)至一个不同的帧缓冲中，该帧缓冲用一个纹理作为其颜色附件。这个纹理会包含游戏的渲染后的抗锯齿图像，我们对它应用零或多个后期处理特效后渲染至一个大的2D四边形。（译注：这段表述的复杂流程与教程帧缓冲章节的内容相似，原文中包含大量易混淆的名词与代词，建议读者先仔细理解帧缓冲章节的内容与流程）。

总结一下这些渲染步骤：

绑定至多重采样的帧缓冲和往常一样渲染游戏将多重采样的帧缓冲内容传输至一个普通的帧缓冲中（这个帧缓冲使用了一个纹理作为其颜色缓冲附件）解除绑定（绑定回默认的帧缓冲）在后期处理着色器中使用来自普通帧缓冲的颜色缓冲纹理渲染屏幕大小的四边形作为后期处理着色器的输出

我们的后期处理着色器允许使用三种特效：shake, confuse和chaos。

shake：轻微晃动场景并附加一个微小的模糊效果。 shake：反转场景中的颜色并颠倒x轴和y轴。 chaos: 利用边缘检测卷积核创造有趣的视觉效果，并以圆形旋转动画的形式移动纹理图片，实现“混沌”特效。

以下是这些效果的示例：

在2D四边形上操作的顶点着色器如下所示：

#version 330 core layout (location = 0) in vec4 vertex; // <vec2 position, vec2 texCoords> out vec2 TexCoords; uniform bool chaos; uniform bool confuse; uniform bool shake; uniform float time; void main() { gl_Position = vec4(vertex.xy, 0.0f, 1.0f); vec2 texture = vertex.zw; if(chaos) { float strength = 0.3; vec2 pos = vec2(texture.x + sin(time) * strength, texture.y + cos(time) * strength); TexCoords = pos; } else if(confuse) { TexCoords = vec2(1.0 - texture.x, 1.0 - texture.y); } else { TexCoords = texture; } if (shake) { float strength = 0.01; gl_Position.x += cos(time * 10) * strength; gl_Position.y += cos(time * 15) * strength; } }

基于uniform是否被设置为true，顶点着色器可以执行不同的分支。如果chaos或confuse被设置为true，顶点着色器将操纵纹理坐标来移动场景（以圆形动画变换纹理坐标或反转纹理坐标）。因为我们将纹理环绕方式设置为了GL_REPEAT，所以chaos特效会导致场景在四边形的各个部分重复。除此之外，如果shake被设置为true，它将微量移动顶点位置。需要注意的是，chaos与confuse不应同时为true，而shake则可以与其他特效一起生效。

当任意特效被激活时，除了偏移顶点的位置和纹理坐标，我们也希望创造显著的视觉效果。我们可以在片段着色器中实现这一点：

#version 330 core in vec2 TexCoords; out vec4 color; uniform sampler2D scene; uniform vec2 offsets[9]; uniform int edge_kernel[9]; uniform float blur_kernel[9]; uniform bool chaos; uniform bool confuse; uniform bool shake; void main() { color = vec4(0.0f); vec3 sample[9]; // 如果使用卷积矩阵，则对纹理的偏移像素进行采样 if(chaos || shake) for(int i = 0; i < 9; i++) sample[i] = vec3(texture(scene, TexCoords.st + offsets[i])); // 处理特效 if(chaos) { for(int i = 0; i < 9; i++) color += vec4(sample[i] * edge_kernel[i], 0.0f); color.a = 1.0f; } else if(confuse) { color = vec4(1.0 - texture(scene, TexCoords).rgb, 1.0); } else if(shake) { for(int i = 0; i < 9; i++) color += vec4(sample[i] * blur_kernel[i], 0.0f); color.a = 1.0f; } else { color = texture(scene, TexCoords); } }

这个着色器几乎直接构建自帧缓冲教程的片段着色器，并根据被激活的特效类型进行相应的后期处理。这一次，偏移矩阵(offset matrix)和卷积核作为uniform变量，由应用程序中的代码定义。好处是我们只需要设置这些内容一次，而不必在每个片段着色器执行时重新计算这些矩阵。例如，偏移矩阵的配置如下所示：

GLfloat offset = 1.0f / 300.0f; GLfloat offsets[9][2] = { { -offset, offset }, // 左上 { 0.0f, offset }, // 中上 { offset, offset }, // 右上 { -offset, 0.0f }, // 左中 { 0.0f, 0.0f }, // 正中 { offset, 0.0f }, // 右中 { -offset, -offset }, // 左下 { 0.0f, -offset }, // 中下 { offset, -offset } // 右下 }; glUniform2fv(glGetUniformLocation(shader.ID, "offsets"), 9, (GLfloat*)offsets);

由于所有管理帧缓冲器的概念已经在之前的教程中有过广泛的讨论，所以这次我不会深入其细节。下面是PostProcessor类的代码，它管理初始化，读写帧缓冲并将一个四边形渲染至屏幕。如果你理解了帧缓冲与反锯齿章节的教程，你应该可以完全它的代码。

PostProcessor：头文件，代码

有趣的是BeginRender和EndRender函数。由于我们必须将整个游戏场景渲染至帧缓冲中，因此我们可以在场景的渲染代码之前和之后分别调用BeginRender和EndRender。接着，这个类将处理幕后的帧缓冲操作。在游戏的渲染函数中使用PostProcessor类如下所示：

PostProcessor *Effects; void Game::Render() { if (this->State == GAME_ACTIVE) { Effects->BeginRender(); // 绘制背景 // 绘制关卡 // 绘制挡板 // 绘制粒子 // 绘制小球 Effects->EndRender(); Effects->Render(glfwGetTime()); } }

无论我们需要什么，我们只需要将需要的PostProcessor类中的特效属性设置为true，其效果就可以立即可见。

Shake it

作为这些效果的演示，我们将模拟球击中坚固的混凝土块时的视觉冲击。无论在哪里发生碰撞，只要在短时间内实现晃动(shake)效果，便能增强撞击的冲击感。

我们只想允许晃动效果持续一小段时间。我们可以通过声明一个持有晃动效果持续时间的变量ShakeTime来实现这个功能。无论碰撞何时发生，我们将这个变量重置为一个特定的持续时间:

GLfloat ShakeTime = 0.0f; void Game::DoCollisions() { for (GameObject &box : this->Levels[this->Level].Bricks) { if (!box.Destroyed) { Collision collision = CheckCollision(*Ball, box); if (std::get<0>(collision)) // 如果发生了碰撞 { // 如果不是实心的砖块则摧毁 if (!box.IsSolid) box.Destroyed = GL_TRUE; else { // 如果是实心的砖块则激活shake特效 ShakeTime = 0.05f; Effects->Shake = true; } [...] } } } [...] }

然后在游戏的Update函数中，我们减少ShakeTime变量的值直到其为0.0，并停用shake特效。

void Game::Update(GLfloat dt) { [...] if (ShakeTime > 0.0f) { ShakeTime -= dt; if (ShakeTime <= 0.0f) Effects->Shake = false; } }

这样，每当我们碰到一个实心砖块时，屏幕会短暂地抖动与模糊，给玩家一些小球与坚固物体碰撞的视觉反馈。

你可以在这里找到更新后的Game类。

在下一章关于“道具”的教程中我们将带来另外两种的特效的使用。