让角色半透明：从 Ordered Dithering 说起（一）

问题

一个多月前，当我们再次思考相机时，一个问题不得不先解决：如何避免相机与角色穿插？当环境变的复杂、游戏内容变得复杂时，似乎没有一个令人满意的相机运动规则既能避开角色又能兼顾体验。

于是我们选择了另一条路：让角色靠近相机时变的半透明直到消失。

在 3D 游戏中，“半透明”永远是开发者的痛（因为半透明物体不能直接在 deferred 中完成绘制，以及排序困难）。而角色这样的非凸多面体存在透视问题——比如透过人体表面看到眼球、舌头或另一条手臂，这会严重影响体验的。因此不能通过使用半透明 shader 解决问题。

这样的半透明是不是超刺激？

Ordered Dithering

一种模拟半透明的经典方法是 Screen-Door Transparency，简单来说就是通过在物体上“挖洞”模拟半透明，洞的密度就是透明度。如何挖也有很多不同方式，我们所用到的的称为 Ordered Dithering，这种算法本来是设计用来处理图像的，在模拟半透明上道理相同。这种算法的特点是结果稳定、（模拟的）透明度相同的物体在屏幕空间挖的洞位置也相同。

这是两倍大小看到的 Ordered Dithering 模拟半透明效果，注意不同深度、不同部位挖的洞在屏幕上是规则排列的

原理

在角色 shader 中可以通过 clip / discard 抛弃像素，这会取消像素输出（包括深度，此为一坑），可以用来实现挖洞。然后问题就是，挖的规则是什么？

Ordered Dithering 使用一个矩阵，矩阵每个元素代表不透明度的临界值，当绘制一个像素时，将每个屏幕像素坐标对应到矩阵中一个位置（就是对 x 和 y 分别取余），如果该位置的值大于需要设置的不透明度就抛弃此像素。

现在唯一需要确定的就是矩阵大小和内容了。矩阵大小决定可以控制的不透明度等级数，比如常见的 4x4 矩阵只能产生 17 个级别（除了 16 个半透明级别还有一个完全透明级别），在实际应用中效果不够理想。我最开始想使用 16x16 的矩阵，可惜没有找到。于是写了一个算法用来产生各种级别的 Ordered Dithering 矩阵：

        /// 
        /// 创建 Ordered Dithering 矩阵
        /// 
        /// size 必须为 2 的整数次幂，至少为 2 
        public static int[,] CreateOrderedDitheringMatrix(int size)
        {
            if (size <= 1 || !Mathf.IsPowerOfTwo(size))
            {
                return null;
            }
            int inputSize = 1;
            int outputSize;
            int[,] input = new int[,] { { 0 } };
            int[,] output;
            while (true)
            {
                outputSize = inputSize * 2;
                output = new int[outputSize, outputSize];
                for (int i = 0; i < inputSize; i++)
                {
                    for (int j = 0; j < inputSize; j++)
                    {
                        int value = input[i, j] * 4;
                        output[i, j] = value;
                        output[i + inputSize, j + inputSize] = value + 1;
                        output[i + inputSize, j] = value + 2;
                        output[i, j + inputSize] = value + 3;
                    }
                }
                if (outputSize >= size) return output;
                else
                {
                    inputSize = outputSize;
                    input = output;
                }
            }
        }

如何应用

现在，我们已经可以在物体上挖洞了。一种最直接的应用想法是，用深度来计算不透明度，然后挖洞模拟。然而这种方法不可行，这与半透明透视问题本质是一样的：会看到不该看的东西。我们使用 Ordered Dithering 的目的就是解决此问题。

如果每个独立的物体，它的各部分具有统一的不透明度，那么在 Ordered Dithering 作用后就不会有透视问题。因此，应将一个物体或角色看成整体，根据这个整体与相机的最短距离计算不透明度，然后应用到整体。

使用胶囊体粗略模拟角色外形

比如对于角色，使用胶囊体粗略模拟外形，然后计算整体与相机最短距离，根据最短距离计算不透明度，应用到身体、衣服等部位。这里有个小优化，就是使用 bounding sphere 快速剔除，避免不必要的计算。对于存在大量角色的游戏，这种优化是十分必要的，因为通常最多也就几个角色会同时靠近相机。

根据距离计算不透明度

到这里，基本功能已经完成，但远没有达到我们的要求。如何达到头图的效果呢？下一篇继续。

（游戏 原生体 Protoform）