UnityShader入门精要——卡通风格渲染

卡通风格是游戏中常见的一种渲染风格。使用这种风格的游戏画面通常有一些共有的特点，例如物体都被黑色的线条描边，以及分明的明暗变化等。 

轮廓线渲染

●基于观察角度和表面法线的轮廓线渲染。这种方法使用视角方向和表面法线的点乘结果来得到轮廓线的信息。这种方法简单快速，可以在一个Pass中就得到渲染结果，但局限性很大，很多模型渲染出来的描边效果都不尽如人意。
●过程式几何轮廓线渲染。这种方法的核心是使用两个Pass渲染。第一个 Pass渲染背面的面片，并使用某些技术让它的轮廓可见:第二个Pass再正常渲染正面的面片。这种方法的优点在于快速有效，并且适用于绝大多数表面平滑的模型，但它的缺点是不适合类似于立方体这样平整的模型。
●基于图像处理的轮廓线渲染。边缘检测方法就属于这个类别。这种方法的优点在于，可以适用于任何种类的模型。但它也有自身的局限所在，一些深度和法线变化很小的轮廓无法被检测出来，例如桌子上的纸张。
●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，n0和n1分别表示两个相邻三角面片的法向，v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 Shader)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。

轮廓描边：

本节采用过程式几何轮廓线渲染方法对模型进行轮廓描边。第一个Pass使用轮廓线颜色渲染整个背面的面片，并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。

viewPos = viewPos + viewNorma1 * Outline;

但是，如果直接使用顶点法线进行扩展，对于一些内凹的模型，就可能发生背面面片遮挡正面面片的情况。为了尽可能防止出现这样的情况，在扩张背面顶点之前，我们首先对顶点法线的z分量进行处理，使它们等于一个定值，然后把法线归一-化后再对顶点进行扩张。这样的好处在于，扩展后的背面更加扁平化，从而降低了遮挡正面面片的可能性。代码如下:

viewNormal.z = -0.5;
viewNormal = normalize (viewNormal) ;
viewPos = viewPos + viewNormal * Outline;

添加高光：

对于卡通渲染需要的高光反射光照模型，我们同样需要计算normal和halfDir的点乘结果，但不同的是，我们把该值和一个阈值进行比较，如果小于该阈值，则高光反射系数为0,否则返回1。可以用CG的step函数实现和阈值比较的目的。

step 函数接受两个参数，第一个参数是参考值，第二个参数是待比较的数值。如果第二个参数大于等于第一个参数,则返回1，否则返回0。

float spec = dot (worldNormal, worldHalfDir) ;
spec = step(threshold, spec) ;

但会造成锯齿效果，因为此时高光区域的边缘不是平滑渐变的，而是由0突变到1。

为进行抗锯齿处理，我们可以在边界处很小的一块区域内进行平滑处理，利用CG的smoothstep函数。

其中，w是一个很小的值，当spec - threshold小于-w时，返回0,大于w时，返回1，否则在0到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。尽管我们可以把w设为一个很小的定值，但在本例中，我们选择使用邻域像素之间的近似导数值，这可以通过CG的fwidth函数来得到。

float spec = dot (worldNormal, worldHalfDir) ;
spec = lerp(0，1, smoothstep(-w, w, spec - threshold) ) ;

代码实现：

描边Pass

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 14/Toon Shading" {
	Properties {
		_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_Ramp ("Ramp Texture", 2D) = "white" {}    //渐变纹理
		_Outline ("Outline", Range(0, 1)) = 0.1    /控制轮廓线宽度
		_OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0, 0, 0, 1)    //轮廓线颜色
		_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)    //高光颜色
		_SpecularScale ("Specular Scale", Range(0, 0.1)) = 0.01    //控制计算高光反射时的阈值
	}
    SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry"}
		
		Pass {
			NAME "OUTLINE"
			
			Cull Front    //只渲染背面片元
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "UnityCG.cginc"
			
			float _Outline;
			fixed4 _OutlineColor;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			}; 
			
			struct v2f {
			    float4 pos : SV_POSITION;
			};
			
			v2f vert (a2v v) {
				v2f o;
				
				float4 pos = mul(UNITY_MATRIX_MV, v.vertex); 
				float3 normal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal);  
				normal.z = -0.5;
				pos = pos + float4(normalize(normal), 0) * _Outline;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_P, pos);
				
				return o;
			}
			
			float4 frag(v2f i) : SV_Target { 
				return float4(_OutlineColor.rgb, 1);               
			}
			
			ENDCG
		}
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			Cull Back
		
			CGPROGRAM
		
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#pragma multi_compile_fwdbase
		
			#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;
		
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
				float4 tangent : TANGENT;
			}; 
		
			struct v2f {
				float4 pos : POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
				float3 worldNormal : TEXCOORD1;
				float3 worldPos : TEXCOORD2;
				SHADOW_COORDS(3)
			};
			
			v2f vert (a2v v) {
				v2f o;
				
				o.pos = UnityObjectToClipPos( v.vertex);
				o.uv = TRANSFORM_TEX (v.texcoord, _MainTex);
				o.worldNormal  = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
				
				TRANSFER_SHADOW(o);
				
				return o;
			}
			
			float4 frag(v2f i) : SV_Target { 
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				fixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
				fixed3 worldHalfDir = normalize(worldLightDir + worldViewDir);
				
				fixed4 c = tex2D (_MainTex, i.uv);
				fixed3 albedo = c.rgb * _Color.rgb;
				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				
				UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);
				
				fixed diff =  dot(worldNormal, worldLightDir);
				diff = (diff * 0.5 + 0.5) * atten;
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * tex2D(_Ramp, float2(diff, diff)).rgb;
				
				fixed spec = dot(worldNormal, worldHalfDir);
				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, 1.0);
			}
		
			ENDCG
		}
	}
	FallBack "Diffuse"
}

在顶点着色器中我们首先把顶点和法线变换到视角空间下，这是为了让描边可以在观察空间达到最好的效果。随后，我们设置法线的z分量，对其归一化后再将顶点沿其方向扩张，得到扩张后的顶点坐标。对法线的处理是为了尽可能避免背面扩张后的顶点挡住正面的面片。最后，我们把顶点从视角空间变换到裁剪空间。

光照模型Pass

片元着色器：首先，我们计算了光照模型中需要的各个方向矢量，并对它们进行了归一化处理。然后，我们计算了材质的反射率albedo 和环境光照ambient。接着，我们使用内置的UNITY_ LIGHT_ATTENUATION宏来计算当前世界坐标下的阴影值。随后，我们计算了半兰伯特漫反射系数，并和阴影值相乘得到最终的漫反射系数。我们使用这个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。我们使用fwidth 对高光区域的边界进行抗锯齿处理，并将计算而得的高光反射系数和高光反射颜色相乘，得到高光反射的光照部分。值得注意的是，我们在最后还使用了step(0.000 1, SpecularScale), 这是为了在SpecularScale 为0时，可以完全消除高光反射的光照。最后，返回环境光照、漫反射光照和高光反射光照叠加的结果。