【URP】Unity[後處理]陰影,中間調,色差Shadows,Midtones,Highlights 詳情 - 遊戲開發,unity3d,圖形學 SmalBox 博客

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

基本概念與作用

Shadows, Midtones, Highlights 是 Unity URP 後處理系統中用於顏色分級的重要效果，它允許開發者分別控制畫面中的陰影、中間色調和高光部分的顏色調整。這種精細控制的優勢在於：

‌陰影調整‌：可以單獨改變畫面暗部的色調和亮度，常用於營造特定氛圍或修正陰影顏色.
‌中間色調控制‌：調整畫面中等亮度區域，這是大多數視覺信息所在的區域.
‌高光處理‌：專門處理畫面最亮部分，可以增強或減弱高光效果

發展歷史

這一效果源於專業影視調色技術，Unity 在 2018 年左右引入後處理堆棧(Post Processing Stack)時首次包含了類似功能，後來在 URP/HDRP 中進一步優化。相比早期的 Lift, Gamma, Gain 調整方式，Shadows, Midtones, Highlights 提供了更精確的色調範圍定義能力。

實現原理與技術細節

在 URP 中，該效果通過體積框架(Volume Framework)實現，使用屏幕空間計算和色調映射技術來分離和調整不同亮度區。核心算法包括：

亮度分離：基於像素亮度值將畫面分為三個區域
色調映射：對每個區域應用獨立的顏色變換
平滑過渡：確保區域間過渡自然，避免明顯邊界

底層原理

Shadows, Midtones, Highlights 效果基於亮度分離和區域特定顏色變換技術實現。其核心處理流程包括：

‌亮度分析階段‌：通過計算像素的亮度值(Luminance)，將畫面分為三個區域：
- Shadows：亮度低於Shadow Limit閾值的區域
- Highlights：亮度高於Highlight Limit閾值的區域
- Midtones：介於兩者之間的區域
‌色調映射階段‌：對每個區域應用獨立的顏色變換矩陣，包括：
- 色相/飽和度調整
- 亮度/對比度調整
- 顏色偏移(Offset)
‌混合階段‌：使用平滑過渡函數(通常為Sigmoid或線性插值)混合三個區域的調整結果，避免明顯的邊界效應

技術實現細節

在URP中，該效果通過RenderPass實現，主要處理步驟包括：

‌屏幕空間處理‌：在像素着色器中計算每個像素的亮度值
‌區域分類‌：使用閾值比較確定像素所屬區域
‌顏色變換‌：根據區域應用不同的顏色校正矩陣
‌ACES色調映射‌：可選地與ACES色調映射管線集成，增強影視級效果

示例實現

以下是一個簡化的Shader代碼示例，展示核心處理邏輯：

代碼説明：

亮度計算使用標準RGB轉亮度公式
使用smoothstep函數實現區域間的平滑過渡
三個區域的顏色調整獨立進行後混合
閾值參數(_ShadowLimits/_HighlightLimits)控制區域範圍

ShadowsMidtonesHighlights.shader

Shader "Hidden/Universal Render Pipeline/ShadowsMidtonesHighlights"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Shadows ("Shadows", Color) = (1,1,1,1)
        _Midtones ("Midtones", Color) = (1,1,1,1)
        _Highlights ("Highlights", Color) = (1,1,1,1)
        _ShadowLimits ("Shadow Limits", Vector) = (0.0, 0.3, 0, 0)
        _HighlightLimits ("Highlight Limits", Vector) = (0.55, 1.0, 0, 0)
    }

    SubShader
    {
        Pass
        {
            HLSLPROGRAM
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            TEXTURE2D(_MainTex);
            SAMPLER(sampler_MainTex);

            float4 _Shadows;
            float4 _Midtones;
            float4 _Highlights;
            float2 _ShadowLimits;
            float2 _HighlightLimits;

            float Luminance(float3 color)
            {
                return dot(color, float3(0.2126, 0.7152, 0.0722));
            }

            float4 Frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                float4 color = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);
                float lum = Luminance(color.rgb);

                // 計算各區域權重
                float shadowWeight = smoothstep(_ShadowLimits.x, _ShadowLimits.y, lum);
                float highlightWeight = smoothstep(_HighlightLimits.x, _HighlightLimits.y, lum);
                float midtoneWeight = 1.0 - shadowWeight - highlightWeight;

                // 應用區域特定調整
                float3 shadowColor = color.rgb * _Shadows.rgb;
                float3 midtoneColor = color.rgb * _Midtones.rgb;
                float3 highlightColor = color.rgb * _Highlights.rgb;

                // 混合結果
                color.rgb = shadowColor * shadowWeight + 
                           midtoneColor * midtoneWeight + 
                           highlightColor * highlightWeight;

                return color;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

實際應用原理

在URP管線中，該效果通過Volume框架集成到後處理堆棧中。當相機啓用後處理時，URP會：

創建臨時渲染紋理存儲中間結果
執行多個RenderPass完成各種後處理效果
將Shadows, Midtones, Highlights作為其中一個Pass插入管線
最終結果輸出到相機目標紋理

這種設計使得效果可以與其他後處理(如Tonemapping、Bloom等)無縫配合，共同構成完整的顏色分級管線

完整實現流程

以下是在 Unity URP 中實現 Shadows, Midtones, Highlights 效果的完整步驟：

確保項目使用URP管線
- 在Graphics Settings中選擇URP Asset
創建後處理體積
- 在Hierarchy中右鍵 -> Volume -> Global Volume
創建Profile
- 在Global Volume組件的Profile字段點擊New
添加效果
- 在Profile中添加Override: Add Override -> Post-processing -> Shadows Midtones Highlights
啓用相機後處理
- 選中主相機 -> Rendering -> Post Processing勾選

參數詳解與用例

核心參數

‌Shadows‌：
- 功能：控制畫面暗部色調和亮度
- 實際用例：將陰影調為冷藍色營造寒冷氛圍
- 參數：
  - 色環：選擇陰影色調
  - 滑塊：調整陰影亮度（左暗右亮）
‌Midtones‌：
- 功能：調整畫面中間亮度區域
- 實際用例：增強中間色調飽和度使畫面更生動
- 參數：
  - 色環：選擇中間色調
  - 滑塊：調整中間調亮度
‌Highlights‌：
- 功能：控制畫面最亮部分
- 實際用例：將高光調為暖黃色模擬陽光效果
- 參數：
  - 色環：選擇高光色調
  - 滑塊：調整高光亮度

高級參數

‌Shadow Limits‌：
- 功能：定義陰影範圍的開始和結束點
- 實際用例：精細控制哪些像素被視為陰影
‌Highlight Limits‌：
- 功能：定義高光範圍的開始和結束點
- 實際用例：避免過亮區域被錯誤分類

性能優化建議

該效果屬於低開銷後處理，但仍建議：
- 避免過度使用複雜調整
- 在移動平台簡化參數調整
- 使用局部體積(Local Volume)而非全局應用
與類似效果對比：
- Lift Gamma Gain：更簡單但控制精度較低
- Color Grading：更全面但開銷略高

實際應用示例

恐怖遊戲場景設置

將Shadows調為深綠色增強詭異感
Midtones略微降低飽和度營造壓抑感
Highlights保持中性避免分散注意力

陽光明媚的户外場景

Shadows使用淡藍色模擬天空反射
Midtones增強飽和度使色彩鮮豔
Highlights使用暖黃色強化陽光效果

通過這種分級控制，開發者可以精確塑造遊戲視覺風格，而無需修改原始材質或光照設置

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