Games101学习 - 着色

本文主要讲述Games101中的着色部分。

文中将使用UE的UTexture2D接口，若不了解可以看这篇：
https://blog.csdn.net/grayrail/article/details/142165442

1.面积比计算三角形坐标

在这里插入图片描述
通过三角形面积比可以得到三角形的坐标alpha、beta、gamma从而进行插值，或是进行图像纹理绘制，基于上一篇学习文章的三角形绘制脚本：
https://blog.csdn.net/grayrail/article/details/142211284

增加面积比插值后脚本如下：

#include "MyBlueprintFunctionLibrary.h"

float TriangleArea(const FVector2D& A, const FVector2D& B, const FVector2D& C)
{
    // 计算向量AB和AC的叉乘
    float CrossProduct = (B.X - A.X) * (C.Y - A.Y) - (B.Y - A.Y) * (C.X - A.X);

    // 返回三角形面积（取叉乘结果的绝对值的一半）
    return FMath::Abs(CrossProduct) * 0.5f;
}

// 计算P点的重心坐标
FVector GetBarycentricCoordinates(const FVector2D& P, const FVector2D& A, const FVector2D& B, const FVector2D& C)
{
    // 计算ABC的总面积
    float AreaABC = TriangleArea(A, B, C);

    // 计算PBC, PCA, PAB的面积
    float AreaPBC = TriangleArea(P, B, C);
    float AreaPCA = TriangleArea(P, C, A);
    float AreaPAB = TriangleArea(P, A, B);

    // 重心坐标
    float alpha = AreaPBC / AreaABC;
    float beta = AreaPCA / AreaABC;
    float gamma = AreaPAB / AreaABC;

    return FVector(alpha, beta, gamma); // 返回重心坐标(alpha, beta, gamma)
}

UTexture2D* UMyBlueprintFunctionLibrary::GenTexture(int32 Width, int32 Height)
{
    // 创建临时纹理
    UTexture2D* NewTexture = UTexture2D::CreateTransient(Width, Height);

    // 配置纹理
    NewTexture->MipGenSettings = TMGS_NoMipmaps;
    NewTexture->CompressionSettings = TC_VectorDisplacementmap;
    NewTexture->SRGB = false;

    // 锁定纹理数据进行写入
    FTexture2DMipMap& Mip = NewTexture->PlatformData->Mips[0];
    void* TextureData = Mip.BulkData.Lock(LOCK_READ_WRITE);

    // 设置默认颜色为黑色
    FColor* FormattedImageData = static_cast<FColor*>(TextureData);
    for (int32 y = 0; y < Height; ++y)
    {
        for (int32 x = 0; x < Width; ++x)
        {
            FormattedImageData[y * Width + x] = FColor::Black; // 背景颜色设置为黑色
        }
    }

    // 定义三角形顶点（A, B, C）
    FVector2D A(Width / 2, Height / 4);  // 三角形顶点A
    FVector2D B(Width / 4, 3 * Height / 4); // 三角形顶点B
    FVector2D C(3 * Width / 4, 3 * Height / 4); // 三角形顶点C

    // 深红色
    FColor TriangleColor = FColor(139, 0, 0, 255);

    // 叉乘判断点P是否在三角形ABC内
    auto IsPointInTriangle = [](const FVector2D& P, const FVector2D& A, const FVector2D& B, const FVector2D& C) -> bool
        {
            FVector2D AP = P - A;
            FVector2D BP = P - B;
            FVector2D CP = P - C;

            FVector2D AB = B - A;
            FVector2D BC = C - B;
            FVector2D CA = A - C;

            // 叉乘结果
            float Cross1 = AB.X * AP.Y - AB.Y * AP.X; // AB 和 AP 的叉乘
            float Cross2 = BC.X * BP.Y - BC.Y * BP.X; // BC 和 BP 的叉乘
            float Cross3 = CA.X * CP.Y - CA.Y * CP.X; // CA 和 CP 的叉乘

            // 如果三个叉乘结果符号相同，则点在三角形内
            return (Cross1 >= 0 && Cross2 >= 0 && Cross3 >= 0) || (Cross1 <= 0 && Cross2 <= 0 && Cross3 <= 0);
        };

    int SubPixelCount = 8;

    // 超采样抗锯齿：子像素划分
    float SubPixelStep = 1.0f / SubPixelCount; // 子像素的步长
    int32 TotalSubPixels = SubPixelCount * SubPixelCount; // 子像素的总数

    // 遍历每个像素并应用抗锯齿逻辑
    for (int32 y = 0; y < Height; ++y)
    {
        for (int32 x = 0; x < Width; ++x)
        {
            int32 CoveredSubPixels = 0;

            // 遍历 SubPixelCount x SubPixelCount 子像素
            for (int32 subY = 0; subY < SubPixelCount; ++subY)
            {
                for (int32 subX = 0; subX < SubPixelCount; ++subX)
                {
                    FVector2D SubPixelPos = FVector2D(x + (subX + 0.5f) * SubPixelStep, y + (subY + 0.5f) * SubPixelStep); // 子像素位置
                    if (IsPointInTriangle(SubPixelPos, A, B, C))
                    {
                        CoveredSubPixels++;
                    }
                }
            }

            // 计算覆盖率并设置像素颜色
            float Coverage = static_cast<float>(CoveredSubPixels) / TotalSubPixels; // 覆盖率（0 到 1）
            if (Coverage > 0)
            {
                FVector2D P(x, y);
                FVector BaryCoords = GetBarycentricCoordinates(P, A, B, C);
                BaryCoords.X = FMath::RoundToInt(BaryCoords.X * 255 * Coverage);
                BaryCoords.Y = FMath::RoundToInt(BaryCoords.Y * 255 * Coverage);
                BaryCoords.Z = FMath::RoundToInt(BaryCoords.Z * 255 * Coverage);

                FColor FinalColor = FColor(BaryCoords.X, BaryCoords.Y, BaryCoords.Z);
                FormattedImageData[y * Width + x] = FinalColor;
            }
        }
    }

    // 解锁纹理数据
    Mip.BulkData.Unlock();
    NewTexture->UpdateResource();

    return NewTexture;
}

绘制结果如下：
在这里插入图片描述

此外，gamma插值信息的获取，也可以这样修改：

// 重心坐标
float alpha = AreaPBC / AreaABC;
float beta = AreaPCA / AreaABC;
float gamma = 1 - alpha - beta;

2.双线性插值 Bilinear

因为实际屏幕采样像素时需要考虑到材质大小、屏幕占比等因素，采样图片并不会像CPU采样那样都是整数，而这种0-1浮点数的坐标采样会带来走样问题，因此通过Bilinear双线性采样的方式采样周围4个像素并进行插值，从而得到更好的采样结果：
在这里插入图片描述
代码如下：

UTexture2D* UMyBlueprintFunctionLibrary::GenTexture(int32 Width, int32 Height, UTexture2D* SourceTexture)
{
    if (!SourceTexture)
    {
        UE_LOG(LogTemp, Error, TEXT("SourceTexture is null"));
        return nullptr;
    }

    // 创建一个新的UTexture2D
    UTexture2D* NewTexture = UTexture2D::CreateTransient(Width, Height, SourceTexture->GetPixelFormat());
    if (!NewTexture)
    {
        UE_LOG(LogTemp, Error, TEXT("Failed to create new texture"));
        return nullptr;
    }

    // 锁定源纹理和新纹理的内存
    FTexture2DMipMap& SourceMip = SourceTexture->PlatformData->Mips[0];
    FTexture2DMipMap& DestMip = NewTexture->PlatformData->Mips[0];

    // 获取源纹理的像素数据
    uint8* SourcePixels = static_cast<uint8*>(SourceMip.BulkData.Lock(LOCK_READ_ONLY));
    uint8* DestPixels = static_cast<uint8*>(DestMip.BulkData.Lock(LOCK_READ_WRITE));

    int32 SourceWidth = SourceMip.SizeX;
    int32 SourceHeight = SourceMip.SizeY;

    int32 PixelSize = 4; // 假设使用的是标准的8位RGBA纹理

    // 进行采样并将数据写入到新纹理中
    for (int32 y = 0; y < Height; ++y)
    {
        for (int32 x = 0; x < Width; ++x)
        {
            // 计算源纹理中的浮动坐标
            float U = static_cast<float>(x) / Width * (SourceWidth - 1);
            float V = static_cast<float>(y) / Height * (SourceHeight - 1);

            // 获取四个邻近像素的坐标
            int32 X0 = static_cast<int32>(FMath::FloorToInt(U));
            int32 X1 = FMath::Clamp(X0 + 1, 0, SourceWidth - 1);
            int32 Y0 = static_cast<int32>(FMath::FloorToInt(V));
            int32 Y1 = FMath::Clamp(Y0 + 1, 0, SourceHeight - 1);

            // 获取插值因子
            float FracX = U - X0;
            float FracY = V - Y0;

            // 计算四个顶点的索引
            int32 Index00 = (Y0 * SourceWidth + X0) * PixelSize;
            int32 Index01 = (Y1 * SourceWidth + X0) * PixelSize;
            int32 Index10 = (Y0 * SourceWidth + X1) * PixelSize;
            int32 Index11 = (Y1 * SourceWidth + X1) * PixelSize;

            // 线性插值四个像素点
            auto Lerp = [](uint8 A, uint8 B, float T) -> uint8 {
                return FMath::Clamp(static_cast<int32>(FMath::Lerp(static_cast<float>(A), static_cast<float>(B), T)), 0, 255);
                };

            // 对R、G、B、A分别进行插值
            uint8 R = Lerp(Lerp(SourcePixels[Index00], SourcePixels[Index10], FracX),
                Lerp(SourcePixels[Index01], SourcePixels[Index11], FracX),
                FracY);
            uint8 G = Lerp(Lerp(SourcePixels[Index00 + 1], SourcePixels[Index10 + 1], FracX),
                Lerp(SourcePixels[Index01 + 1], SourcePixels[Index11 + 1], FracX),
                FracY);
            uint8 B = Lerp(Lerp(SourcePixels[Index00 + 2], SourcePixels[Index10 + 2], FracX),
                Lerp(SourcePixels[Index01 + 2], SourcePixels[Index11 + 2], FracX),
                FracY);
            uint8 A = Lerp(Lerp(SourcePixels[Index00 + 3], SourcePixels[Index10 + 3], FracX),
                Lerp(SourcePixels[Index01 + 3], SourcePixels[Index11 + 3], FracX),
                FracY);

            // 写入目标纹理
            int32 DestIndex = (y * Width + x) * PixelSize;
            DestPixels[DestIndex] = R;
            DestPixels[DestIndex + 1] = G;
            DestPixels[DestIndex + 2] = B;
            DestPixels[DestIndex + 3] = A;
        }
    }

    // 解锁像素数据
    SourceMip.BulkData.Unlock();
    DestMip.BulkData.Unlock();

    // 更新新纹理
    NewTexture->UpdateResource();

    return NewTexture;
}

注意需要更新蓝图节点：
在这里插入图片描述

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