【Godot4自学手册】第四十三用着色器（shader）给纹理描边

这一节我们学一下用着色器（shader）描边效果。来看看最终效果：

一、进行shader初始设置

首先我们进入NPC场景，选择Sprite2D节点，在检查器中中岛CanvasItem属性，并在Material->Material后方选择下拉按钮选择新建ShaderMaterial

然后选中新建的材质球，在Shader属性选择新建着色器，在弹出框内进行如下设置：

然后创建保存。

二、编写代码

这样我们就可以在着色器内进行编码了。我们先来学习一下Shader的基本知识。在 Godot 游戏引擎中，片段着色器（Fragment Shader）是一种运行在图形处理单元（GPU）上的程序，用于计算并确定屏幕上每个像素的颜色。片段着色器是图形渲染过程中的关键部分，它们使得开发者能够创造出丰富和动态的视觉效果。

片段着色器的基本概念：

1. 像素颜色计算：
   • 片段着色器的主要任务是计算每个像素的颜色。这可以通过直接指定颜色值或使用纹理映射来实现。
2. 并行处理：
   • 片段着色器在 GPU 上并行运行，这意味着它们同时对所有像素进行处理。这种并行处理方式使得着色器非常适合执行复杂的数学运算，以实现高效的图形渲染。
3. 输入和输出：
   • 片段着色器接收一系列输入，如纹理坐标（UV）、顶点颜色、时间变量等，并输出最终的颜色值。

片段着色器的结构：

一个基本的片段着色器通常包含以下部分：

• 声明着色器类型：

  shader_type canvas_item; // 对于 2D 渲染
  // 或者
  shader_type spatial;     // 对于 3D 渲染
  

• 片段函数：

  void fragment() {
      // 片段着色器的代码
      COLOR = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 设置像素颜色为红色
  }
  

• 使用 UV 坐标：

  void fragment() {
      COLOR = vec4(UV.x, UV.y, 0.0, 1.0); // 使用 UV 坐标设置颜色
  }
  

• 使用纹理：

  void fragment() {
      COLOR = texture(TEXTURE, UV); // 从纹理中获取颜色
  }
  

片段着色器的应用：

• 颜色效果：可以创建颜色渐变、色调映射、颜色校正等效果。
• 纹理处理：可以实现纹理混合、模糊、锐化等效果。
• 光照和阴影：模拟不同的光照模型和阴影效果。
• 后处理效果：如模糊、边缘检测、颜色过滤等。

在 Godot 中使用片段着色器：

1. 创建材质：在 Godot 中，首先需要创建一个 ShaderMaterial。
2. 编写着色器代码：在材质编辑器中，可以编写和修改着色器代码。
3. 应用到对象：将材质应用到场景中的对象上，着色器效果就会应用到该对象。
   片段着色器是 Godot 提供的一个强大工具，可以极大地扩展游戏的视觉表现力。开发者可以通过不断学习和实践，创造出各种独特的视觉效果。

三、编写代码

我们先录入如下代码，然后我在解释一下原理和重点知识：

shader_type canvas_item;
uniform float outline_width=1.0;
uniform vec4 outline_color:source_color =vec4(0,0,0,1);

void fragment() {
	vec2 uv =UV;
	vec2 uv_up = uv+vec2(0,TEXTURE_PIXEL_SIZE.y)*outline_width;
	vec2 uv_down = uv + vec2(0,-TEXTURE_PIXEL_SIZE.y)*outline_width;
	vec2 uv_left = uv + vec2(TEXTURE_PIXEL_SIZE.x,0)*outline_width;
	vec2 uv_right = uv + vec2(-TEXTURE_PIXEL_SIZE.x,0)*outline_width;
	vec4 color_up = texture(TEXTURE,uv_up);
	vec4 color_down = texture(TEXTURE,uv_up);
	vec4 color_left = texture(TEXTURE,uv_left);
	vec4 color_right = texture(TEXTURE,uv_right);
	vec4 outline = color_down+color_up+color_left+color_right;
	outline.rgb = outline_color.rgb;
	vec4 original_color = texture(TEXTURE,UV);	
	COLOR = mix(outline,original_color,original_color.a);
	}

看一下前后对比效果：
未添加描边效果如下：

添加描边效果如下：

而且描边的宽度和颜色均可以通过参数来控制。

原理

我们想要实现描边效果，只需每个点位上下左右向外扩展一个点位，这样在与原图像叠加到一起，让后把扩展的点变成描边颜色即可。

重点知识学习

1. shader_type:：是用来定义一个着色器（Shader）的类型的关键字，Godot 支持多种类型的着色器，每种类型的着色器都有其特定的用途和上下文环境。
2. canvas_item：着色器类型用于处理 2D 渲染，它通常用于控制 CanvasItem 类型的节点，比如 Sprite、TextureRect 或自定义的 2D 节点。当你在 Godot 中使用这种类型的着色器时，你可以自定义这些节点的渲染行为，比如颜色混合、纹理处理、光照效果等。
3. uniform：该关键字用于声明全局变量，这些变量在着色器的所有执行实例中保持一致。换句话说，uniform 变量是那些你在渲染过程中想要从 CPU 传递到 GPU 的值，并且这些值对于同一绘制调用的所有片段都是相同的。
4. TEXTURE_PIXEL_SIZE：是一个内置变量，用于在着色器中获取纹理的像素大小。这个变量通常用于片段着色器中，以确定纹理中每个像素的物理大小。在 Godot 的片段着色器中，TEXTURE_PIXEL_SIZE 的值通常表示为二维向量，其中包含了纹理的宽度和高度上的像素大小。例如，如果纹理的分辨率是 320x240，那么 TEXTURE_PIXEL_SIZE 应该是 (1/320, 1/240)，这意味着在每个维度上，一个单元代表一个像素。
5. texture() 函数用于在着色器中从指定的纹理中采样颜色值。
6. mix() 函数用于在两个值之间进行线性插值，常用于混合颜色或向量。一句话描述其用途是：函数有三个参数，第一个参数表示起始颜色，第二参数表示结束颜色；第三个参数（通常是一个介于 0.0 和 1.0 之间的系数）在两个值之间进行平滑过渡，如果为0，表示第一种颜色；1表示第二种颜色；0到1之间表示过度颜色。