基于 URP ScriptableRendererFeature 的 Kawase-style 多级降采样 Bloom 一共使用4 个 Pass（Prefilter → Downsample × N → Upsample × N → Composite）， 在低分辨率金字塔中完成阈值提取、Box 滤波下采样、散射上采样和加色合成。 包含：BloomRenderFeature.cs、`Bloom.shader

1. Introduction

1.1 传统方案缺陷

Showcase

Bloom On-Off

  • 传统方法：URP 内置 Bloom 使用 1-pass Kawase 或 Unity 原生 PostProcess Stack 的 Mipmap 方案。 问题所在：
  • 第一，缺少 soft knee 阈值——硬阈值 max(brightness - threshold, 0) 在阈值边缘产生明显的截断 banding，亮物体周围出现硬边光晕；
  • 第二，缺少散射控制——上采样时简单把低频加到高频上，无法独立控制光晕的”柔度”与”范围”，导致 Bloom 要么太集中要么太发散；
  • 第三，无 HDR 安全 clamp——极高亮度值（如 >65504 的 Inf/NaN）在 Box 滤波和多次 upsample 中会传播污染整张 RT。

1.2 解决方法

  • 核心机制：采用完整的 4-Pass 管线——Prefilter 用 soft knee 提取超阈值亮度、Downsample 用 Box 4 采样逐级降采样到 minSize、Upsample 用 scatter 参数控制低频到高频的注入比例、Composite 将 tinted Bloom 加回源图。HDR 值全程被 SafeHDR clamp 到 65504，soft knee 使用平方 softness 平滑截断。
  • 架构：BloomRenderFeature 在 BeforeRenderingPostProcessing 注入单个 BloomPass，内部管理 MaxPyramidSize=6 的降采样/上采样 RT 池，iterations 自适应 minSize 约束。

2. KeyWords

关键词简单解释在本实现中的具体职责
Soft Knee Threshold亮度超过 threshold-knee 后渐变截断ApplyThreshold 中 softness² * knee 替代硬截断
Kawase / Box Downsample4 点 box filter 降采样（非 mipmap 链）SampleBox(tex, uv, texelSize, 1.0) 做 2×2 平均
Scatter Upsample上采样时用 scatter 参数控制低频注入比例FragUpsample 中 lerp(high, high+low, scatter)
HDR Safe Clamp防止 Inf/NaN 在多次滤波中传播SafeHDR(color) = min(color, 65504)
Pyramid RT Pool预分配 _Bloom_Down[i] / _Bloom_Up[i] 共 12 个 PropertyToID避免每帧重复 Shader.PropertyToID 分配

3. Technical Breakdown

3.1 Soft Knee 阈值提取 (Pass 0: Prefilter)

硬阈值 max(brightness - threshold, 0) 在阈值边缘产生不连续的截断——刚好在阈值以上的像素贡献全量 Bloom，刚好以下的完全消失。Soft knee 在阈值下方引入一个过渡区间 [threshold - knee, threshold + knee]（其中 knee = threshold * softKnee），用二次 softness 平滑过渡：

half3 ApplyThreshold(half3 color)
{
    half brightness = Luminance(color);                            // BT.709
    half softness   = saturate((brightness - THRESHOLD + KNEE)
                     / max(2.0 * KNEE, 1e-4));                    // [0,1] 过渡
    half soft       = softness * softness * KNEE;                  // 二次平滑
    half contribution = max(brightness - THRESHOLD, soft);
    return color * saturate(contribution / max(brightness, 1e-4));
}
  • KNEE = 0 时 softness 退化为阶跃函数，等价于硬阈值
  • KNEE = THRESHOLD * softKnee（默认 threshold=1.0, softKnee=0.5 → knee=0.5）：亮度 0.5-1.5 区间平滑过渡
  • softness² 保证过渡区的一阶导数也连续，避免 banding

Prefilter Pass 同时做一次 Box 4 采样（SampleBox(radius=1.0)），在提取阈值前对全分辨率做轻微抗锯齿。

3.2 降采样金字塔 (Pass 1: Downsample)

每次降采样将分辨率减半（width >>= 1, height >>= 1），用 Box 4 采样做抗锯齿下采样：

half3 SampleBox(tex, samplerTex, uv, texelSize, radius)
{
    float2 d = texelSize * radius;
    // 四个角采样 → 平均
    return (Sample(uv + (-d.x,-d.y)) + Sample(uv + (d.x,-d.y))
          + Sample(uv + (-d.x, d.y)) + Sample(uv + ( d.x, d.y))) * 0.25;
}

金字塔级数由 iterations 参数控制（1-6），同时受 minSize 约束——当降采样后尺寸 < minSize 时自动截断：

while (iterations > 1 && (width >> (iterations-1)) < minSize) iterations--;

3.3 散射上采样 (Pass 2: Upsample)

从最低分辨率逐级上采样回全分辨率。每级从当前低分辨率（_MainTex = 上一级结果）上采样，并与同级的降采样高频（_BloomTex = pyramidDown[i]）混合：

half4 FragUpsample(Varyings input) : SV_Target
{
    half3 low  = SampleBox(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv, texelSize, 1.0);
    half3 high = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_BloomTex, sampler_BloomTex, input.uv).rgb;
    return half4(lerp(high, high + low, BLOOM_SCATTER), 1.0);
}

BLOOM_SCATTER（默认 0.65）是关键参数：

  • scatter = 0：只保留高频细节（Bloom 集中在亮物体边缘）
  • scatter = 1：低频全量注入（Bloom 大面积扩散）
  • 典型值 0.5-0.7 产生自然的柔光扩散

3.4 合成 (Pass 3: Composite)

half4 FragComposite(Varyings input) : SV_Target
{
    half3 source = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv).rgb;
    half3 bloom  = SAMPLE_TEXTURE2D_X(_BloomTex, sampler_BloomTex, input.uv).rgb
                 * _BloomTint.rgb;
    return half4(source + bloom * BLOOM_INTENSITY, 1.0);
}
  • _BloomTint：对 Bloom 染色（默认白色，可调为暖黄/冷蓝）
  • BLOOM_INTENSITY（默认 0.35）：Bloom 强度
  • 合成是加法（source + bloom * intensity），保持原始场景不变

4. 执行时机与 URP 管线架构

4.1 管线插入点

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URP 一帧

 (1) Depth PrePass → _CameraDepthTexture
 (2) DrawOpaqueObjects / Deferred Lighting → cameraColorTarget
 (3) DrawTransparents / Skybox

 (4) ★ BeforeRenderingPostProcessing ★                  [Bloom Pass]
       │  ┌─ BloomPass.Execute ─────────────────────────┐
       │  │  1. cmd.Blit(source → TempSource)             │  拷贝场景
       │  │  2. Prefilter: Blit(TempSource → pyramidDown[0], Pass0)
       │  │  3. for i=1..iterations-1:
       │  │       Blit(pyramidDown[i-1] → pyramidDown[i], Pass1)  降采样
       │  │  4. for i=iterations-2..0:
       │  │       Blit(lastUp → pyramidUp[i], Pass2)              上采样
       │  │       lastUp = pyramidUp[i]
       │  │  5. Composite: Blit(TempSource → TempOutput, Pass3)
       │  │  6. Blit(TempOutput → source)                         写回
       │  │  7. 释放所有临时 RT
       │  └───────────────────────────────────────────────────────┘

 (5) Post-Processing (Tonemapping 等) → Present
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为什么是 BeforeRenderingPostProcessing：Bloom 必须在 Tonemapping 之前执行——HDR 域中阈值提取才有意义（LDR 下亮度全部 ≤1，阈值无区分度）。Bloom 之后 Tonemapping 会把 HDR 光晕映射到 LDR 屏幕色域。

4.2 RT 与内存

RT分辨率格式用途
_Bloom_Sourcefull²cameraTargetDescriptor场景拷贝
_Bloom_Outputfull²cameraTargetDescriptor合成输出
_Bloom_Down[0]full/downsamplecameraTargetDescriptorPrefilter 结果
_Bloom_Down[1..N-1]逐级 /2cameraTargetDescriptor降采样金字塔
_Bloom_Up[0..N-2]逐级 *2cameraTargetDescriptor上采样金字塔

典型 1080p、downsample=2、iterations=4 时，总计约 8 张 RT，峰值 ~35MB。

5. 实现细节与关键代码

5.1 BloomRenderFeature + BloomPass

// 仅 Game 相机、Base 渲染
if (cameraData.cameraType != CameraType.Game) return;
if (cameraData.renderType != CameraRenderType.Base) return;

// 自适应 iterations: 确保最小层 ≥ minSize (默认32)
int iterations = Mathf.Clamp(settings.iterations, 1, MaxPyramidSize);
while (iterations > 1 && (width  >> (iterations-1)) < settings.minSize) iterations--;
while (iterations > 1 && (height >> (iterations-1)) < settings.minSize) iterations--;

// 降采样
for (int i = 1; i < iterations; ++i) {
    pyramidDesc.width  >>= 1;
    pyramidDesc.height >>= 1;
    cmd.GetTemporaryRT(pyramidDown[i], pyramidDesc, FilterMode.Bilinear);
    cmd.SetGlobalTexture(MainTexID, lastDown);
    cmd.Blit(lastDown, pyramidDown[i], material, PassDownsample);
    lastDown = pyramidDown[i];
}

// 上采样 (逆序)
int lastUp = lastDown;
for (int i = iterations - 2; i >= 0; --i) {
    cmd.GetTemporaryRT(pyramidUp[i], upDesc, FilterMode.Bilinear);
    cmd.SetGlobalTexture(MainTexID, lastUp);
    cmd.SetGlobalTexture(BloomTexID, pyramidDown[i]);  // 同级高频
    cmd.Blit(lastUp, pyramidUp[i], material, PassUpsample);
    lastUp = pyramidUp[i];
}

5.2 参数一览

参数默认值说明
threshold1.0亮度阈值（BT.709），超过此值才贡献 Bloom
softKnee0.5阈值柔和度，0=硬截断，1=最大柔和
intensity0.35Bloom 最终强度
scatter0.65上采样散射比例，0=仅高频，1=全量扩散
tintwhiteBloom 色调
iterations4金字塔级数（1-6）
downsample2起始降采样倍数
minSize32最小层分辨率，防止过度降采样

6. References

  1. Masaki Kawase. “Frame Buffer Postprocessing Effects in DOUBLE-S.T.E.A.L (Wreckless).” Game Developers Conference 2003. — Kawase Bloom 原始方案，多级降采样 + 上采样混合范式。
  2. Unity Technologies. “URP Scriptable Renderer Features.” Unity Manual. — ScriptableRenderPass + BeforeRenderingPostProcessing 注入方式。
  3. Jorge Jimenez. “Next Generation Post Processing in Call of Duty: Advanced Warfare.” SIGGRAPH 2014 Advances in Real-Time Rendering. — HDR Bloom 管线与 soft knee 阈值参考。
  4. (25 封私信) unity URP bloom 移动端性能优化 - 知乎