深入解析：【URP】Unity[后处理]阴影,中间调,色差Shadows,Midtones,Highlights

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

基本概念与作用

Shadows, Midtones, Highlights 是 Unity URP 后处理系统中用于颜色分级的重要效果，它允许开发者分别控制画面中的阴影、中间色调和高光部分的颜色调整。此种精细控制的优势在于：

‌阴影调整‌：可以单独改变画面暗部的色调和亮度，常用于营造特定氛围或修正阴影颜色.
‌中间色调控制‌：调整画面中等亮度区域，这是大多数视觉信息所在的区域.
‌高光处理‌：专门处理画面最亮部分，可以增强或减弱高光效果

发展历史

这一效果源于专业影视调色技术，Unity 在 2018 年左右引入后处理堆栈(Post Processing Stack)时首次包含了类似作用，后来在 URP/HDRP 中进一步优化。相比早期的 Lift, Gamma, Gain 调整方式，Shadows, Midtones, Highlights 供应了更精确的色调范围定义能力。

实现原理与技术细节

在 URP 中，该效果经过体积框架(Volume Framework)实现，使用屏幕空间计算和色调映射工艺来分离和调整不同亮度区。核心算法包括：

亮度分离：基于像素亮度值将画面分为三个区域
色调映射：对每个区域应用独立的颜色变换
平滑过渡：确保区域间过渡自然，避免明显边界

底层原理

Shadows, Midtones, Highlights 效果基于亮度分离和区域特定颜色变换技术实现。其核心处理流程包括：

‌亮度分析阶段‌：依据计算像素的亮度值(Luminance)，将画面分为三个区域：
- Shadows：亮度低于Shadow Limit阈值的区域
- Highlights：亮度高于Highlight Limit阈值的区域
- Midtones：介于两者之间的区域
‌色调映射阶段‌：对每个区域应用独立的颜色变换矩阵，包括：
- 色相/饱和度调整
- 亮度/对比度调整
- 颜色偏移(Offset)
‌混合阶段‌：使用平滑过渡函数(通常为Sigmoid或线性插值)混合三个区域的调整结果，避免明显的边界效应

技术实现细节

在URP中，该效果借助RenderPass实现，关键处理步骤包括：

‌屏幕空间处理‌：在像素着色器中计算每个像素的亮度值
‌区域分类‌：使用阈值比较确定像素所属区域
‌颜色变换‌：根据区域应用不同的颜色校正矩阵
‌ACES色调映射‌：可选地与ACES色调映射管线集成，增强影视级效果

示例实现

以下是一个简化的Shader代码示例，展示核心处理逻辑：

代码说明：

亮度计算使用标准RGB转亮度公式
使用smoothstep函数建立区域间的平滑过渡
三个区域的颜色调整独立进行后混合
阈值参数(_ShadowLimits/_HighlightLimits)控制区域范围

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);
                // 计算各区域权重
                float shadowWeight = smoothstep(_ShadowLimits.x, _ShadowLimits.y, lum);
                float highlightWeight = smoothstep(_HighlightLimits.x, _HighlightLimits.y, lum);
                float midtoneWeight = 1.0 - shadowWeight - highlightWeight;
                // 应用区域特定调整
                float3 shadowColor = color.rgb * _Shadows.rgb;
                float3 midtoneColor = color.rgb * _Midtones.rgb;
                float3 highlightColor = color.rgb * _Highlights.rgb;
                // 混合结果
                color.rgb = shadowColor * shadowWeight +
                           midtoneColor * midtoneWeight +
                           highlightColor * highlightWeight;
                return color;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

实际应用原理

在URP管线中，该效果通过Volume框架集成到后处理堆栈中。当相机启用后处理时，URP会：

创建临时渲染纹理存储中间结果
执行多个RenderPass完成各种后处理效果
将Shadows, Midtones, Highlights作为其中一个Pass插入管线
最终结果输出到相机目标纹理

这种设计使得效果可以与其他后处理(如Tonemapping、Bloom等)无缝配合，共同构成完整的颜色分级管线

完整实现流程

以下是在 Unity URP 中达成 Shadows, Midtones, Highlights 效果的完整步骤：

确保方案启用URP管线
- 在Graphics Settings中选择URP Asset
创建后处理体积
- 在Hierarchy中右键 -> Volume -> Global Volume
创建Profile
- 在Global Volume组件的Profile字段点击New
添加效果
- 在Profile中添加Override: Add Override -> Post-processing -> Shadows Midtones Highlights
启用相机后处理
- 选中主相机 -> Rendering -> Post Processing勾选

参数详解与用例

核心参数

‌Shadows‌：
- 功能：控制画面暗部色调和亮度
- 实际用例：将阴影调为冷蓝色营造寒冷氛围
- 参数：
  - 色环：选择阴影色调
  - 滑块：调整阴影亮度（左暗右亮）
‌Midtones‌：
- 功能：调整画面中间亮度区域
- 实际用例：增强中间色调饱和度使画面更生动
- 参数：
  - 色环：选择中间色调
  - 滑块：调整中间调亮度
‌Highlights‌：
- 特性：控制画面最亮部分
- 实际用例：将高光调为暖黄色模拟阳光效果
- 参数：
  - 色环：选择高光色调
  - 滑块：调整高光亮度

高级参数

‌Shadow Limits‌：
- 机制：定义阴影范围的开始和结束点
- 实际用例：精细控制哪些像素被视为阴影
‌Highlight Limits‌：
- 功能：定义高光范围的开始和结束点
- 实际用例：避免过亮区域被错误分类

性能优化建议

该效果属于低开销后处理，但仍建议：
- 避免过度使用艰难调整
- 在移动平台简化参数调整
- 应用局部体积(Local Volume)而非全局应用
与类似效果对比：
- Lift Gamma Gain：更简单但控制精度较低
- Color Grading：更全面但开销略高

实际应用示例

恐怖游戏场景设置

将Shadows调为深绿色增强诡异感
Midtones略微降低饱和度营造压抑感
Highlights保持中性避免分散注意力

阳光明媚的户外场景

Shadows使用淡蓝色模拟天空反射
Midtones增强饱和度使色彩鲜艳
Highlights应用暖黄色强化阳光效果

通过这种分级控制，开发者可以精确塑造游戏视觉风格，而无需修改原始材质或光照设置

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
（欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，）

posted on 2025-10-20 10:01 lxjshuju 阅读(19) 评论(0) 收藏举报