【Unity Shaders】Using Textures for Effects —— 实现Photoshop的色阶效果

本系列主要参考《Unity Shaders and Effects Cookbook》一书（感谢原书作者），同时会加上一点个人理解或拓展。

这里是本书所有的插图。这里是本书所需的代码和资源（当然你也可以从官网下载）。

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考虑到法向贴图（normal mapping）和程序贴图纹理（procedural textures）两节的内容要么很常见或者很少使用，因此我决定偷懒先不看了。

写在前面

终于到了Using Textures for Effects的最后一节！这次主要讲一个小技巧，用Shader实现Photoshop的色阶效果。

如果你曾经做过图像编辑工作，例如给你们家的一张合影调色啊，制作游戏贴等，那么你一定明白使用色阶来全局调整图像的重要性和实用性。现在，可以告诉你，你完全可以使用Shaders来创建类似Photoshop色阶的效果。

Photoshop里所有的图像编辑工具和混合模型就是一系列数学操作的结果。从本质上来说，我们是在对像素值与其他某些量进行乘法、加法、除法、或者比较等操作，来得到最后的返回值。这个返回值就是新图像的一个像素值。

当然，我们可以写一大本书来仅仅描述Photoshop效果使用的数学技巧，但这里，我们仅仅关注色阶这一块。在本书的第十章，Screen Effects with Unity Render Textures中，将会涉及更多的高级混合模式。（噢，第十章感觉好远的样子。）

准备工作

和以前一样，你需要创建一个新的Shader和Material，可以叫做PhotoshopLevels，并把使用了Shader的Material赋给场景中的某一个物体。除此之外，你还需要一个原帖图，来测试我们的色阶效果。你也可以使用本书资源中的/Unity Shaders and Effects Cookbook/5084_Code/Unity assets/5084_02_UnityAssets/Textures/Chapter02_MetalFloorsRusted0041_1_S.jpg。如下图所示：

实现

1. 向Shader添加下列新的properties：

   	Properties {
   		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
   
   		//Add the Input Levels Values
   		_inBlack ("Input Black", Range(0, 255)) = 0
   		_inGamma ("Input Gamma", Range(0, 2)) = 1.61
   		_inWhite ("Input White", Range(0, 255)) = 255
   
   		//Add the Output Levels
   		_outWhite ("Output White", Range(0, 255)) = 255
   		_outBlack ("Output Black", Range(0, 255)) = 0
   	}

2. 在CGPROGRAM命令下声明上述各个properties的变量：

   		CGPROGRAM
   		#pragma surface surf Lambert
   
   		sampler2D _MainTex;
   
   		//Add these variables
   		//to the CGPROGRAM
   		float _inBlack;
   		float _inGamma;
   		float _inWhite;
   		float _outWhite;
   		float _outBlack;

3. 创建一个新的函数float GetPixelLevel(float pixelColor)，它的参数为原帖图RGB通道中一个通道的像素值，返回经过调整色阶后的新的该通道像素值。

   		float GetPixelLevel(float pixelColor)
   		{
   			float pixelResult;
   			pixelResult = (pixelColor * 255.0);
   			pixelResult = max(0, pixelResult - _inBlack);
   			pixelResult = saturate(pow(pixelResult / (_inWhite - _inBlack), _inGamma));
   			pixelResult = (pixelResult * (_outWhite - _outBlack) + _outBlack)/255.0;
   			return pixelResult;
   		}

4. 修改surf函数，重新计算RGB通道的像素值。

                           //Create a variable to store
   			//a pixel channel from our _MainTex texture
   			float outRPixel  = GetPixelLevel(c.r);
   
   			float outGPixel = GetPixelLevel(c.g);
   
   			float outBPixel = GetPixelLevel(c.b);

5. 最后，输出新的像素值。

                           o.Albedo = float3(outRPixel,outGPixel,outBPixel);
   			o.Alpha = c.a;

最后完整的代码如下：

Shader "Custom/PhotoshopLevels" {
	Properties {
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}

		//Add the Input Levels Values
		_inBlack ("Input Black", Range(0, 255)) = 0
		_inGamma ("Input Gamma", Range(0, 2)) = 1.61
		_inWhite ("Input White", Range(0, 255)) = 255

		//Add the Output Levels
		_outWhite ("Output White", Range(0, 255)) = 255
		_outBlack ("Output Black", Range(0, 255)) = 0
	}
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200

		CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert

		sampler2D _MainTex;

		//Add these variables
		//to the CGPROGRAM
		float _inBlack;
		float _inGamma;
		float _inWhite;
		float _outWhite;
		float _outBlack;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
		};

		float GetPixelLevel(float pixelColor)
		{
			float pixelResult;
			pixelResult = (pixelColor * 255.0);
			pixelResult = max(0, pixelResult - _inBlack);
			pixelResult = saturate(pow(pixelResult / (_inWhite - _inBlack), _inGamma));
			pixelResult = (pixelResult * (_outWhite - _outBlack) + _outBlack)/255.0;
			return pixelResult;
		}

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);

			//Create a variable to store
			//a pixel channel from our _MainTex texture
			float outRPixel  = GetPixelLevel(c.r);

			float outGPixel = GetPixelLevel(c.g);

			float outBPixel = GetPixelLevel(c.b);

			o.Albedo = float3(outRPixel,outGPixel,outBPixel);
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG
	}
	FallBack "Diffuse"
}

前后效果对比如下所示（左边为使用Diffuse Shader，右边为使用PhotoshopLevels Shader）：

解释

以float outRPixel  = GetPixelLevel(c.r);一句为例。

GetPixelLevel函数接受c.r作为输入参数。由于tex2D得到的值范围在0.0到1.0之间，我们需要将其映射到0.0到255.0之间：

pixelResult = (pixelColor * 255.0);

然后，我们减去_inBlack属性值，来使像素变暗。我们还要确保减去后的值不会小于0.0，因此使用max函数。

pixelResult = max(0, pixelResult - _inBlack);

接下来，我们用(_inWhite - _inBlack)来得到新的white point值，并和pixelResult做除法。这相比与我们直接除以_inWhite，会调高像素的亮度，使它变得更亮。 然后使用_inGamma进行乘方操作。

pixelResult = saturate(pow(pixelResult / (_inWhite - _inBlack), _inGamma));

最后，我们使用_outWhite和_outBlack来修改像素值，以便可以从全局上控制最小像素值（_outBlack）和最大像素值（_outWhite）。得到的结果需要除以255.0，来使得输出值的范围重新映射到0.0到1.0。

pixelResult = (pixelResult * (_outWhite - _outBlack) + _outBlack)/255.0;