URP下基于后处理的热空气扭曲效果

前言

前几天在网上看到一位大神的 Unity Shader-热空气扭曲效果文章，感觉应该是个常见的效果，所以准备在URP里实现一下，正好再次深入使用一下URP，期间也遇到了一些匪夷所思的坑，也会在文章中说明。

原文中的全屏扭曲和基于GrabPass的方式都省略不谈，这里来用URP实现一下基于后处理的热空气扭曲。

环境

URP版本：7.3.1

Unity版本：2019.4.8f1

正文

原文中的实现核心思路是在需要扭曲的地方摆放一个面片，然后将这个面片渲染到一张RenderTexture上作为Mask，后处理的时候以Mask为基准决定ColorTexture哪些地方需要扭曲，然后对一张Noise图进行采样，对目标像素做偏移，达到扭曲的效果。

仔细分析后发现其实就一个难点，就是如何在URP下将物体渲染到一个RenderTexture上。

恰巧前阵子研究战争迷雾的时候看到了这篇文章：流朔 -【Unity URP】以Render Feature实现卡通渲染中的刘海投影，其中就有将物体渲染到RenderTexture的相关操作，这样一来就没有问题了，开搞。

首先创建一个RenderFeature命名为RenderMaskFeature，用于将指定层级物体渲染到一张RenderTexture上，核心代码就是这RenderPass中的这两个函数

public override void Configure(CommandBuffer cmd, RenderTextureDescriptor cameraTextureDescriptor)
{
    //获取一个ID，这也是我们之后在Shader中用到的Buffer名
    int temp = Shader.PropertyToID("_MaskSoildColor");
    m_SoildColorID = temp;
    //一般都可以使用比较低的分辨率来做扭曲效果，因为扭曲效果本身就不太追求画质了
    RenderTextureDescriptor desc = new RenderTextureDescriptor(128,128);
    cmd.GetTemporaryRT(temp, desc);
    //将这个RT设置为Render Target
    ConfigureTarget(temp);
    //将RT清空为黑
    ConfigureClear(ClearFlag.All, Color.black);
}
public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
{
    var drawMask = CreateDrawingSettings(m_ShaderTag, ref renderingData,
        renderingData.cameraData.defaultOpaqueSortFlags);
    drawMask.overrideMaterial = m_Setting.Material;
    drawMask.overrideMaterialPassIndex = 0;
    context.DrawRenderers(renderingData.cullResults, ref drawMask, ref m_FilteringSettings);
}

其中有几个注意点

首先是降采样，因为扭曲效果本身不会用到太精细的分辨率，所以可以使用很低的分辨率进行采样（当然如果这个扭曲效果要求比较高，比如刀光的扭曲，那么可能就得用屏幕分辨率的1/4，具体情况具体分析），比如我这里使用了128*128的RenderTexture，效果也说得过去（效果见文末）

其次m_ShaderTag类型为ShaderTagId，对应一个Pass中的Tag的LightMode关键字，其实这一点从URP自带的RenderObject的Shader Pass字段ToolTip不难看出

Controls which shader passes to use when rendering objects. The name given here must match the LightMode tag in a shader pass.

最后是overrideMaterial，表示此批次绘制会使用的材质，然后是overrideMaterialPassIndex，表示会用此材质的第几个Pass进行渲染，这个值默认为0，到这里其实就可以发觉，overrideMaterialPassIndex是有可能与我们的m_ShaderTag发生冲突的，我这边实验的结果是，以overrideMaterialPassIndex为准（例如m_ShaderTag的Pass Index为0，但是overrideMaterialPassIndex为1，那么就会使用Pass Index为1的Pass进行渲染）。

然后我就开始遇到坑了，我这里的m_ShaderTag设置和刘海投影那篇文章一样，都是ShaderTagId(“UniversalForward”)，当我更换物体材质的时候，打开FrameDebug却发现绘制Mask这一步骤凭空消失了

？？？这是什么情况，我只是更换了物体的材质，没有更换Render Feature的材质，为什么Render Feature直接失效了？

先来复盘一下场景，物体使用的材质Shader是Universal Render Pipeline/Lit，其中正好有一个Tags{“LightMode” = “UniversalForward”}的Pass，但是我更换了Universal Render Pipeline/Unlit后Render Feature就失效了，思来想去只能是因为Universal Render Pipeline/Unlit中没有LightMode为UniversalForward的Pass，看了下Shader果真如此。

这就有点震惊了，我设置了overrideMaterial，在这个Render Feature中我都没有用到物体自身材质的Pass，那么物体的材质改变就不应该导致Render Feature的失效。随便翻了翻URP的源码也没有看出个所以然来，索性再多试验几种情况，总结一下吧：

如果不设置override material的话，就会默认使用物体身上的材质上的目标Pass进行渲染，但是缺点是如果物体的材质没有达成SRP Batch的条件，就无法进行SRP Batch，SRP Batcher相关内容参见：关于静态批处理/动态批处理/GPU Instancing /SRP Batcher的详细剖析
如果设置了override marerial的话，就会使用override marerial的目标Pass进行渲染，这种方式可以忽略任何情况（除非你材质本身无法进行SRP Batch）直接一个SRP Batch搞定
对于overrideMaterialPassIndex和ShaderTagId冲突的情况，以overrideMaterialPassIndex为准
对于更换材质会导致写入Mask Texture失效的情况，是因为，不知道为什么他似乎有个潜规则，就是你的物体身上的材质，必须有一个Pass，它的Tag和你设置的shaderTagId相同，不然就会失效

然后创建另一个RenderFeature，命名为AirDistortionFeature，用于进行后处理操作，核心代码如下

public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
{
    CommandBuffer cmd = CommandBufferPool.Get(m_ProfilerTag);
    
    RenderTextureDescriptor opaqueDesc = renderingData.cameraData.cameraTargetDescriptor;
    cmd.GetTemporaryRT(m_TemporaryColorTexture.id, opaqueDesc);
    
    Blit(cmd, source, m_TemporaryColorTexture.Identifier(), blitMaterial);
    Blit(cmd, m_TemporaryColorTexture.Identifier(), source);
    
    cmd.ReleaseTemporaryRT(m_TemporaryColorTexture.id);
    
    context.ExecuteCommandBuffer(cmd);
    CommandBufferPool.Release(cmd);
}

然后是空气扭曲的后处理Shader，除了改用了HLSL，内容基本和原文一致

Shader "URP_Practise/Air-distortion"
{
    SubShader
    {
        Pass
        {
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            TEXTURE2D(_CameraColorTexture);
            SAMPLER(sampler_CameraColorTexture);
            TEXTURE2D(_NoiseTex);
            SAMPLER(sampler_NoiseTex);
            TEXTURE2D(_MaskSoildColor);
            SAMPLER(sampler_MaskSoildColor);

            uniform float _DistortTimeFactor;
            uniform float _DistortStrength;

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output;

                VertexPositionInputs vertexInput = GetVertexPositionInputs(input.positionOS.xyz);
                output.vertex = vertexInput.positionCS;
                output.uv = input.uv;

                return output;
            }

            float4 frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                //根据时间改变采样噪声图获得随机的输出
                float4 noise = SAMPLE_TEXTURE2D(_NoiseTex, sampler_CameraColorTexture,
                                                input.uv - _Time.xy * _DistortTimeFactor);
                //以随机的输出*控制系数得到偏移值
                float2 offset = noise.xy * _DistortStrength;
                //采样Mask图获得权重信息
                float4 factor = SAMPLE_TEXTURE2D(_MaskSoildColor, sampler_NoiseTex, input.uv);
                //像素采样时偏移offset，用Mask权重进行修改
                float2 uv = offset * factor.r + input.uv;
                return SAMPLE_TEXTURE2D(_CameraColorTexture, sampler_CameraColorTexture, uv);
            }
            ENDHLSL
        }
    }
    FallBack off
}