深度解析：Shader 运动模糊（Motion Blur）的原理与实现

引言

在实时渲染和影视特效领域，Shader 运动模糊（Motion Blur） 是提升画面动态表现力的核心技术之一。它通过模拟物体快速运动时产生的视觉模糊效果，增强画面的真实感和沉浸感。本文将从数学原理、算法实现、优化策略三个维度展开，结合代码示例，深入探讨Shader运动模糊的技术细节。

一、运动模糊的数学基础

运动模糊的本质是时间积分。当物体以速度 ( \mathbf{v} ) 运动时，其在时间 ( \Delta t ) 内的运动轨迹可表示为：
[
\mathbf{p}(t) = \mathbf{p}0 + \mathbf{v} \cdot t
]
其中 ( \mathbf{p}_0 ) 为初始位置。在渲染中，需对运动轨迹上的颜色进行积分，得到最终像素值：
[
C = \frac{1}{\Delta t} \int{0}^{\Delta t} C(\mathbf{p}(t)) \, dt
]
由于实时渲染无法直接计算积分，通常采用采样近似法，即对运动轨迹上的多个点进行采样并加权平均。

二、Shader运动模糊的算法实现

1. 基于速度缓冲的实现

步骤：

1. 生成速度缓冲（Velocity Buffer）：在G-Buffer阶段，计算每个像素的运动速度（单位：像素/帧）。速度可通过物体世界空间速度与屏幕空间变换矩阵的乘积得到：

   mat4 viewProjPrev = prevFrameViewProj; // 上一帧的视图投影矩阵
   mat4 viewProjCurr = currFrameViewProj; // 当前帧的视图投影矩阵
   mat4 viewProjInverse = inverse(viewProjCurr);
   vec4 worldPosPrev = viewProjInverse * vec4(screenPos, 1.0);
   worldPosPrev.xyz /= worldPosPrev.w;
   vec4 worldPosCurr = getWorldPosition(); // 当前帧世界坐标
   vec3 velocity = (worldPosCurr.xyz - worldPosPrev.xyz) * 0.5; // 平均速度

2. 模糊处理：在后处理Shader中，根据速度缓冲对屏幕空间进行采样：

   float blurScale = length(velocity) * blurStrength; // 模糊强度与速度成正比
   vec2 blurDir = normalize(velocity.xy) * blurScale; // 模糊方向
   vec4 color = vec4(0.0);
   for (int i = 0; i < SAMPLE_COUNT; i++) {
       float offset = float(i) / float(SAMPLE_COUNT - 1) - 0.5;
       vec2 samplePos = texCoord + blurDir * offset;
       color += texture2D(screenTexture, samplePos);
   }
   color /= float(SAMPLE_COUNT);

适用场景：适合动态物体较多的场景，但需额外存储速度缓冲，增加显存开销。

2. 基于深度和运动向量的实现

优化点：

• 深度感知：仅对运动区域进行模糊，减少计算量。
• 运动向量复用：利用引擎生成的运动向量（如Unity的_CameraMotionVectorsTexture）。

代码示例（Unity URP）：

// C#脚本：生成运动向量
[SerializeField] private RenderTexture motionVectorTexture;
void OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest) {
    CommandBuffer cmd = new CommandBuffer();
    cmd.GetTemporaryRT(motionVectorTexture.name, src.descriptor);
    cmd.Blit(BuiltinRenderTextureType.MotionVectors, motionVectorTexture);
    Graphics.ExecuteCommandBuffer(cmd);
}

// Shader代码：基于运动向量的模糊
uniform sampler2D _MotionVectorTex;
uniform sampler2D _MainTex;
float4 frag(v2f i) : SV_Target {
    float2 motionVec = tex2D(_MotionVectorTex, i.uv).xy;
    float blurLength = length(motionVec) * _BlurScale;
    float4 color = 0;
    for (int j = 0; j < _SampleCount; j++) {
        float t = (float(j) / (_SampleCount - 1)) * 2.0 - 1.0;
        float2 offset = motionVec * t * blurLength;
        color += tex2D(_MainTex, i.uv + offset);
    }
    return color / _SampleCount;
}

3. 径向模糊与局部模糊的变种

• 径向模糊：模拟相机快速旋转时的效果，采样方向为圆周方向。
• 局部模糊：仅对特定物体（如UI元素）应用模糊，需结合深度测试和Stencil Buffer。

三、性能优化策略

1. 采样数控制

• 动态采样：根据速度大小调整采样数，速度越快采样越多。

  int sampleCount = clamp(int(length(velocity) * 10.0), 4, 16);

• 稀疏采样：使用随机采样（如Poisson Disk）减少规律性伪影。

2. 层次化渲染

• 低分辨率预处理：先在低分辨率下计算模糊，再上采样至目标分辨率。
• Tile-Based渲染：将屏幕划分为小块，并行处理。

3. 硬件加速

• Compute Shader：利用GPU并行计算能力加速采样和积分。

  // Compute Shader示例：并行模糊
  [numthreads(16, 16, 1)]
  void CSMotionBlur(uint3 id : SV_DispatchThreadID) {
      float2 uv = (id.xy + 0.5) / float2(_ScreenWidth, _ScreenHeight);
      float2 velocity = motionVectorTex[id.xy].xy;
      // ...采样与积分逻辑
  }

四、实际应用案例

1. Unity中的实现

• URP/HDRP：内置Motion Blur效果，可通过Volume组件调整参数。
• 自定义Shader：通过Shader Graph或手写HLSL实现高级效果。

2. GLSL中的跨平台实现

// 通用运动模糊Shader
uniform sampler2D u_ScreenTexture;
uniform sampler2D u_VelocityTexture;
uniform float u_BlurStrength;
out vec4 fragColor;
void main() {
    vec2 uv = gl_FragCoord.xy / u_ScreenSize;
    vec2 velocity = texture(u_VelocityTexture, uv).xy;
    float blurLength = length(velocity) * u_BlurStrength;
    vec4 color = vec4(0.0);
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        float t = float(i) / 7.0 - 0.5;
        vec2 offset = velocity * t * blurLength;
        color += texture(u_ScreenTexture, uv + offset);
    }
    fragColor = color / 8.0;
}

五、常见问题与解决方案

1. 鬼影（Ghosting）：高速运动物体残留拖影。
   • 解决：增加采样数或限制最大模糊长度。
2. 性能瓶颈：高分辨率下采样数过多。
   • 解决：使用动态分辨率或降低模糊质量。
3. 静态物体误模糊：速度缓冲包含相机运动但物体静止。
   • 解决：在速度缓冲中区分物体运动和相机运动。

结论

Shader运动模糊是提升渲染质量的关键技术，其实现需平衡效果与性能。开发者可根据项目需求选择基于速度缓冲、运动向量或变种算法的方案，并结合采样优化、层次化渲染等策略提升效率。未来，随着硬件性能提升和实时光线追踪的普及，运动模糊将与全局光照、反射等技术深度融合，进一步推动视觉真实感的边界。