Unity Shader 卡通渲染效果

zifa2003293 · 发表于 2021-3-28 16:03

Unity Shader系列文章：Unity Shader目录-初级篇

Unity Shader系列文章：Unity Shader目录-中级篇

效果：

游戏《大神》（英文名：Okami）的游戏截图

卡通风格的渲染效果

左图：未对高光区域进行抗锯齿处理。右图：使用fwidth函数对高光区域进行抗锯齿处理

原理：

1、渲染轮廓线；
2、添加高光；

绘制模型轮廓线的方法有5种类型：

基于轮廓边检测的轮廓线渲染。上面提到的各种方法，一个最大的问题是，无法控制轮廓
线的风格渲染。对于一些情况，我们希望可以渲染出独特风格的轮廓线，例如水墨风格等。为此，我们希望可以检测出精确的轮廓边，然后直接渲染它们。检测一条边是否是轮廓边的公式很简单，我们只需要检查和这条边相邻的两个三角面片是否满足以下条件：

其中，和分别表示两个相邻三角面片的法向，是从视角到该边上任意顶点的方向。上述公式的本质在于检查两个相邻的三角面片是否一个朝正面、一个朝背面。我们可以在几何着色器(Geometry hader 的帮助下实现上面的检测过程。当然，这种方法也有缺点，除了实现相对复杂外，它还会有动画连贯性的问题。也就是说，由于是逐帧单独提取轮廓，所以在帧与帧之间会出现跳跃性。最后一个种类就是混合了上述的几种渲染方法。例如，首先找到精确的轮廓边，把模型和轮廓边渲染到纹理中，再使用图像处理的方法识别出轮廓线，并在图像空间下进行风格化渲染。

在本篇中，将会在 Unity 中使用过程式几何轮廓线渲染的方法来对模型进行轮廓描边。将使用两个 Pass 渲染模型：在第一个Pass中，我们会使用轮廓线颜色渲染整个背面的面片，在视角空间下把模型顶点沿着法线方向向外扩张一段距离，以此来让背部轮廓线可见。

shader代码：
// 卡通渲染效果Shader "Custom/ToonShading"{ Properties { _Color ("ColorTint", Color) = (1, 1, 1, 1) _MainTex ("Texture", 2D) = "white" { } _Ramp ("Ramp Texture", 2D) = "white" { }// 控制漫反射色调的渐变纹理 _Outline ("Outline", Range(0, 1)) = 0.1 // 控制轮廓线宽度 _OutlineColor ("OutlineColor", Color) = (0, 0, 0, 1) // 轮廓线颜色 _Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1) // 高光反射颜色 _SpecularScale ("SpecularScale", Range(0, 0.1)) = 0.01 // 控制计算高光反射区域大小 } SubShader { Tags { "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry" } // 定义渲染轮廓线需要的 Pass Pass { // 使用 NAME 命令为该 Pas 定义了名称，这样别的Shader可以通过此名字调用此Pass // 因为描边在非真实感渲染中是非常常见的效果为该Pass义名称可以让我们在后面的使用中不需要再重复编写此 Pass // 而只需要调用它的名字即可，如: UsePass "Cusstom/ToonShading/OUTLINE" NAME "OUTLINE" // 剔除正面，只渲染背面 Cull Front CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" float _Outline; fixed4 _OutlineColor; // 应用传递给定点着色器的数据 struct a2v { float4 vertex: POSITION; // 语义：模型空间下的顶点坐标 float4 normal: NORMAL; // 语义：模型空间下的法线 }; // 顶点着色器传递给片元着色器的数据 struct v2f { float4 pos: SV_POSITION; // 语义：裁剪空间下的顶点坐标 }; // 顶点着色器函数 v2f vert(a2v v) { v2f o; // 将顶点坐标从模型空间变换到观察空间 float4 pos = mul(UNITY_MATRIX_MV, v.vertex); // 将法线从模型空间变换到观察空间 float3 normal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal); // 是为了尽可能避免背面扩张后的顶点挡住正面的面片 normal.z = 0.5; // 将顶点沿法线方向上扩张 pos = pos + float4(normalize(normal), 0) * _Outline; // 将顶点坐标从观察空间变换到裁剪空间 o.pos = mul(UNITY_MATRIX_P, pos); return o; } // 片元着色器函数 fixed4 frag(v2f i): SV_TARGET { // 用轮廓线颜色渲染整个背面 return fixed4(_OutlineColor.rgb, 1); } ENDCG } // Base Pass 计算平行光、环境光 Pass { Tags { "LightMode" = "ForwardBase" } Cull Back CGPROGRAM // 编译指令，保证在pass中得到Pass中得到正确的光照变量 #pragma multi_compile_fwdbase #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" #include "Lighting.cginc" #include "AutoLight.cginc" #include "UnityShaderVariables.cginc" fixed4 _Color; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; sampler2D _Ramp; fixed4 _Specular; fixed _SpecularScale; // 应用传递给定点着色器的数据 struct a2v { float4 vertex: POSITION; // 语义: 顶点坐标 float3 normal: NORMAL; // 语义: 法线 float4 texcoord: TEXCOORD0; // 语义: 纹理坐标 float4 tangent: TANGENT; // 语义: 切线 }; // 顶点着色器传递给片元着色器的数据 struct v2f { float4 pos: SV_POSITION; // 语义: 裁剪空间的顶点坐标 float2 uv: TEXCOORD0; float3 worldNormal: TEXCOORD1; float3 worldPos: TEXCOORD2; SHADOW_COORDS(3) // 内置宏：声明一个用于对阴影纹理采样的坐标 (这个宏参数需要是下一个可用的插值寄存器的索引值，这里是3) }; // 顶点着色器 v2f vert(a2v v) { v2f o; // 将顶点坐标从模型空间变换到裁剪空间 // 等价于o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 计算纹理坐标(缩放和平移) // 等价于o.uv = v.texcoord * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw; o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex); // 将法线从模型空间变换到世界空间 // 等价于o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject); o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 将顶点坐标从模型空间变换到世界空间 o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; // 内置宏：用于计算声明的阴影纹理坐标 TRANSFER_SHADOW(o); return o; } // 片元着色器 fixed4 frag(v2f i): SV_TARGET { fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); // 世界空间光向量 fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 世界空间观察向量 fixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos)); // 世界半角向量，用于计算高光反射 fixed3 worldHalfDir = normalize(worldLightDir + worldViewDir); fixed4 c = tex2D(_MainTex, i.uv); // 计算材质反射率 fixed3 albedo = c.rgb * _Color.rgb; // 环境光 fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo; // 计算阴影值和光照衰减 UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos); // 计算半兰伯特漫反射系数 fixed diff = dot(worldNormal, worldLightDir); // 和阴影值相乘得到最终的漫反射系数 diff = (diff * 0.5 + 0.5) * atten; // 使用漫反射系数对渐变纹理_Ramp进行采样，并将结果和材质的反射率、光照颜色相乘作为最后的漫反射光照 fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * tex2D(_Ramp, float2(diff, diff)).rgb; fixed spec = dot(worldNormal, worldHalfDir); // 高光区域的边缘不是平滑渐变的，而是由0突变到1，对其进行抗锯齿处理，可以在边界处很小的一块区域内进行平滑处理 // 使用smoothstep函数，w个很小的值，当spec-threshold小于-w 时，返回0；大于w时，返回1；否则在0-1之间进行插值。 // 这样的效果是，我们可以在[-w, w] 区间内，即高光区域的边界处，得到一个从0到1平滑变化的 spec 值，从而实现抗锯齿的目的 // 尽管我可以把w设为一个很小的定值，不过更好的是选择使用邻域像素之间的近似导数值，这可以通过 fwidth 函数来得到 // 使用step(0.0001, _SpecularScale)，这是为了在 SpecularScaJe 可以完全消除高光反射的光照 fixed w = fwidth(spec) * 2.0; fixed3 specular = _Specular.rgb * lerp(0, 1, smoothstep(-w, w, spec + _SpecularScale - 1)) * step(0.0001, _SpecularScale); return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1); } ENDCG } } // 设置Fallback，产生正确的阴影投射效果 Fallback "Diffuse"}

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