【05】Unity URP 卡通渲染原神角色渲染记录-Double Pass ...

Ilingis · 发表于 2022-8-15 09:29

点击下面链接，B站上传了实际Game窗口效果，视频有压缩，实际运行效果更好些~
系列一共5篇，这个是第5篇：
【01】Unity URP 卡通渲染原神角色记录-Diffuse: Ramp + AO + Double Shadow
【02】Unity URP 卡通渲染原神角色记录-Specular: Metal+Non-Metal
【03】Unity URP 卡通渲染原神角色记录-Function-Based Light and Shadow: Emission+SDF脸部阴影
【04】Unity URP 卡通渲染原神角色记录-Depth-Based Effect: 7Spaces + 屏幕空间等距深度边缘光Rim Light
【05 | 当前浏览】Unity URP 卡通渲染原神角色记录-Double Pass Effect: Render Feature + 平滑法线Outline
1. 前言

这一篇主要写RenderFeature，以及利用RenderFeature，结合LayerMask进行BackFace描边，同时也会提及平滑法线的计算脚本。
2. Unity URP管线的光栅化Rasterization顺序问题

我们知道图形渲染，主要有光栅化Rasterization，光线追踪Ray Tracing两种路径。这两者不矛盾，可以一起用。
那么Unity URP管线是如何进行光栅化渲染的呢？这里我们重点关注渲染的顺序，为了更好的说明，直接来一段源码吧:

我们发现核心有8个阶段

URP管线的渲染顺序，从代码中可以发现是如下的顺序:
阴影 --> PrePass --> G Buffer --> Deferred Lights(延迟光照) --> 不透明物体 --> 天空盒子 --> 透明物体 --> 屏幕空间后处理
G Buffer说明: 就是把渲染表面Surface所需的所有数据，写入Geometry Buffer，包括材质，位置，法线等

Positions, normals, and materials for each surface are rendered into the geometry buffer (G-buffer)

3. 什么是RenderFeature?

Renderer Feature可让我们向URP Renderer添加额外的渲染通道，支持我们进行Asset资产配置来重写从而可以自定义渲染的顺序、渲染的对象、材质等等。

A Renderer Feature is an asset that lets you add extra Render passes to a URP Renderer and configure their behavior.

也就是说，在上面的渲染顺序中，我们可以加塞，弄一个自己的pass插进去。
这有什么用呢？比如像描边这种事情，肯定都是不透明物体渲染完后，我们再额外描个边，这时候就可以插队到Opaque之后，放一个自己的Pass。
4. 如何创建Render Feature?

URP管线中，有2种方式可以做render feature：
第一种，Render Object

URP contains the pre-built Renderer Feature called Render Objects.

这种方式很简单，点点按钮就好了

选第一个

这种方式，可以参考官方的教程，不是今天的重点：

第二种，Scriptable Renderer Feature
官方有个教程，可以看看
这种方式的核心就是写代码来定义一个Render Feature，我是使用这种方式来定义一个描边pass。
Renderer Feature定义的核心思路：放在Opaque物体之后，用LayerMask只选择人物Layer，因为我们不需要对其他物体进行描边。
把宵宫的人物放在6层，Character

宵宫的人物层index是6

创建脚本的方式可以参考官方教程，重点是override Execute方法这里，确保描边pass只用于宵宫所在的人物层：
ShaderTagId outlineTag = new ShaderTagId(&#34;Outline&#34;);

public override void Execute(ScriptableRenderContext context, ref RenderingData renderingData)
{
DrawingSettings drawingSettings = CreateDrawingSettings(outlineTag, ref renderingData, SortingCriteria.CommonOpaque);
int myLayerIndexVariable = 6; // 宵宫的Layer Index
int myLayerMaskVariable = 1 << myLayerIndexVariable; //用于Filter传参
RenderQueueRange myRenderQueueRange = RenderQueueRange.opaque; //只包含不透明物体
FilteringSettings filteringSettings = new FilteringSettings(myRenderQueueRange, myLayerMaskVariable);
context.DrawRenderers(renderingData.cullResults, ref drawingSettings, ref filteringSettings);
}LayerMask成功的之后，我们会发现，只有人物才描边，这里放一个对比图，左边的宵宫在6层，右边的球default：

同样的Shader，只描边人物，描边效果暂时忽略，这会代码是不对的

之后记得在管线设置中，添加这个Render Feature

这里的ShaderTagId 是Outline

5. 法线平滑

有了Render Feature之后，我们就继续下一步，看看如何计算平滑法线。
物体的硬边问题：处于硬边的顶点，会有多条法线存在，如图所示

我们的目标是求多个法线的平均值

所以，平滑法线的核心，就是发现有多个normal的vertex顶点，然后求平均法线，最后把平均法线存进mesh的tangent空间。
如果对于图形学7大空间，有疑惑，请看第4篇，有讲解
核心代码如下，C#脚本，挂在人物身上就行:
for (int i = 0; i < mesh.vertexCount; i++)
{
   Vector3 avgNormal = normalDictionary[mesh.vertices].normalized;
   tangents = new Vector4(avgNormal.x, avgNormal.y, avgNormal.z, 0f);
}
mesh.tangents = tangents;6. BackFace描边

这个相关的文章挺多了，说一下核心思路：
在正常的UniversalForward Pass渲染完成后，我再加一个额外的Pass，进行顶点沿法线方向偏移，之后输出颜色。
UniversalForward Pass: Cull Back
Outline Pass: Cull Front
这里有一个选择问题，我们在什么空间内，进行顶点偏移，我的选择是Object Space模型空间，效果最好。
然后来看一下相关代码，很简单：
Pass
{
Name &#34;Outline&#34;
Tags {
         &#34;LightMode&#34; = &#34;Outline&#34; //与ShaderTagId一致
}
Cull Front
//.....其他参数根据工程需要配置

HLSLPROGRAM
#pragma vertex OutlinePassVert
#pragma fragment OutlinePassFrag

struct Attributes
{
   float4 vertex : POSITION;
   float3 normal : NORMAL;
   float2 uv : TEXCOORD0;
   float4 vertColor : COLOR;
   float4 tangent : TANGENT;
};

struct Varyings
{
   float4 pos : SV_POSITION;
   float2 uv : TEXCOORD0;
   float3 vertColor : COLOR;
};

Varyings OutlinePassVert (Attributes v)
{
   Varyings o;

   UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);
   UNITY_TRANSFER_INSTANCE_ID(v, o);
   UNITY_INITIALIZE_VERTEX_OUTPUT_STEREO(o);
   //从tangent space取出平滑法线，进行外扩，处理硬边断裂
   v.vertex.xyz += v.tangent.xyz * 0.01 * _OutlineWidth * v.vertColor.a;//顶点色a通道控制粗细
   o.pos = TransformObjectToHClip(v.vertex.xyz);
   o.uv = v.uv;
   o.vertColor = v.vertColor.rgb;
   return o;
}

float4 OutlinePassFrag(Varyings i) : SV_TARGET
{
   return float4(i.vertColor, 1) * _OutlineColor;//顶点色rgb混合描边颜色
}

ENDHLSL
}接下来，我们看几个效果图的对比，首先是没有平滑法线的样子，只有正常的法线normal

身体的部分，差点意思

然后是从tangent空间，取出平滑法线后再描边，我们可以发现硬边区域的描边，有了很大改善

硬边区域，差别明显，还是平滑好使

最后额外提一句，脖子上的金属项链，不要描边，我是通过宏+Mask，扣掉了蝴蝶项链的大部分神之眼的描边，以下是反例，如果直接输出颜色大概长下面的样子：

项链和神之眼，不要描边，会很怪

7. 后处理ToneMapping，物理模拟和动画

后处理的部分，我通过Render Feature + Blit方式，添加了GranTurismo的ToneMapping，Unity URP默认只有Neural和ACES两种，不太给力。
动作可以去Mixamo上面白嫖，物理模拟用的Magica Cloth，骨骼和弹簧模拟2种类型的结合。
8. 来看看最终成品效果

看着还行吧，有待进一步提升
https://www.zhihu.com/video/1542407530570989568
本篇是这个系列的最后一篇，感谢阅读，后面有空再写写其他的，完结撒花ヽ(°▽°)ノ
9. 参考链接

Unity官方：URP系列教程 | 手把手教你如何用Renderer Feature
Unity官方：URP系列教程 | 如何使用Scriptable Renderer Feature来自定义后处理效果
2173：【01】从零开始的卡通渲染-描边篇

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