【Unity3D】素描特效

1 非真实渲染

        法线贴图和凹凸映射中讲述了普通光照的渲染原理，实现的效果比较贴近真实世界（照相写实主义，Photorealism），非真实渲染（Non-Photorealism Rendering，NPR）在照相写实主义的基础上添加了一些风格处理，如：卡通、水彩、素描等风格。

        本文完整资源见→Unity3D素描特效。

2 素描特效原理

        素描特效不直接渲染漫反射效果，而是通过线条的疏密程度表现漫反射效果，即：较亮处线条稀疏，较暗处线条密集。

        线条采样方法：先计算顶点对应的漫反射强度，假设为 diffuse，再根据 diffuse 所处的区间在多个素描纹理（如下）中采样。

        diffuse 计算如下，其中 normal 为顶点对应的单位法线向量，lightDir 为顶点指向光源的单位方向向量。

float diffuse = max(0, dot(normal, lightDir));

        为方便划分区间，我们将 diffuse 乘以 7（6 个素描纹理 + 空白纹理），记为 factor，即 factor = diffuse * 7，我们将 factor 均匀划分 7 个区间，假设 factor 值对应的空白纹理和 line1 ~ line6 纹理的权值分别为 w0 ~ w6，则 w0 ~ w6 的计算如下：

float w0 = 1; // 白色纹理权值
float w1 = 0, w2 = 0, w3 = 0, w4 = 0, w5 = 0, w6 = 0; // line_1~line_6纹理权值
if (factor > 6) { // 区间: (6, 7]
	return; // 白色, 直接跳出
} else if (factor > 5) { // 区间: (5, 6]
	w1 = factor - 5;
} else if (factor > 4) { // 区间: (4, 5]
	w1 = factor - 4;
	w2 = 1 - w1;
} else if (factor > 3) { // 区间: (3, 4]
	w2 = factor - 3;
	w3 = 1 - w2;
} else if (factor > 2) { // 区间: (2, 3]
	w3 = factor - 2;
	w4 = 1 - w3;
} else if (factor > 1) { // 区间: (1, 2]
	w4 = factor - 1;
	w5 = 1 - w4;
} else { // 区间: [0, 1]
	w5 = factor;
	w6 = 1 - w5;
}
w0 = 1 - w1 - w2 - w3 - w4 - w5 - w6;

        根据 w0 ~ w6 对白色纹理和 line1 ~ line6 纹理进行加权求和，得到顶点对应的素描颜色。

3 素描特效实现

        SketchEffect.cs

using UnityEngine;

[DisallowMultipleComponent] // 不允许在同一对象上挂载多个该组件
public class SketchEffect : MonoBehaviour {
    private Material sketchMat; // 素描材质

    private void Awake() {
        sketchMat = Resources.Load<Material>("Sketch/Materials/SketchMat");
    }

    private void OnEnable() {
        Renderer[] renderers = GetComponentsInChildren<Renderer>();
        foreach (var renderer in renderers) { // 将rneder里的所有材质球都替换为sketchMat材质
            Material[] materials = new Material[renderer.sharedMaterials.Length];
            for (int i = 0; i < materials.Length; i++) {
                materials[i] = sketchMat;
            }
            renderer.materials = materials;
        }
    }
}

        说明：SketchEffect 脚本组件挂在需要渲染素描特效的对象上。 

        SketchEffect.shader

Shader "MyShader/SketchEffect" {
	Properties {
		_Color ("Color", Color) = (1, 1, 1, 1) // 背景颜色
		_Tilling ("Tilling", Float) = 1 // 纹理缩放, 值越大线条越密集
		_Line1 ("Line 1", 2D) = "white" {} // 素描纹理1
		_Line2 ("Line 2", 2D) = "white" {} // 素描纹理2
		_Line3 ("Line 3", 2D) = "white" {} // 素描纹理3
		_Line4 ("Line 4", 2D) = "white" {} // 素描纹理4
		_Line5 ("Line 5", 2D) = "white" {} // 素描纹理5
		_Line6 ("Line 6", 2D) = "white" {} // 素描纹理6
	}
	
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry"}

		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag 

			#include "UnityCG.cginc"
			
			fixed4 _Color; // 背景颜色
			float _Tilling; // 纹理缩放, 值越大线条越密集
			sampler2D _Line1; // 素描纹理1
			sampler2D _Line2; // 素描纹理2
			sampler2D _Line3; // 素描纹理3
			sampler2D _Line4; // 素描纹理4
			sampler2D _Line5; // 素描纹理5
			sampler2D _Line6; // 素描纹理6

			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float2 uv : TEXCOORD0;
				fixed4 w1 : TEXCOORD1; // 前三张素描纹理的权值(w维存储白色)
				fixed3 w2 : TEXCOORD2; // 后三张素描纹理的权值
			};

			void getLineWeights(float diffuse, out fixed4 w1, out fixed3 w2) { // 根据漫反射值获取6张素描纹理的权重
				float factor = diffuse * 7.0;
				w1 = fixed4(0, 0, 0, 1);
				w2 = fixed3(0, 0, 0);
				if (factor > 6) { // 区间: (6, 7]
					return; // 白色, 直接跳出
				} else if (factor > 5) { // 区间: (5, 6]
					w1.x = factor - 5;
				} else if (factor > 4) { // 区间: (4, 5]
					w1.x = factor - 4;
					w1.y = 1 - w1.x;
				} else if (factor > 3) { // 区间: (3, 4]
					w1.y = factor - 3;
					w1.z = 1 - w1.y;
				} else if (factor > 2) { // 区间: (2, 3]
					w1.z = factor - 2;
					w2.x = 1 - w1.z;
				} else if (factor > 1) { // 区间: (1, 2]
					w2.x = factor - 1;
					w2.y = 1 - w2.x;
				} else { // 区间: [0, 1]
					w2.y = factor;
					w2.z = 1 - w2.y;
				}
				w1.w = 1 - w1.x - w1.y - w1.z - w2.x - w2.y - w2.z; // w维存储白色
			}
			
			v2f vert(appdata_base v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 计算裁剪坐标系中顶点坐标, 等价于: mul(unity_MatrixMVP, v.vertex)
				o.uv = v.texcoord * _Tilling; // 对uv坐标进行缩放, 用于调整素描图像的稀疏和宽窄程度
				fixed3 worldLightDir = normalize(WorldSpaceLightDir(v.vertex)); // 计算世界空间中顶点指向光源的向量
				fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 计算世界空间中顶点法线向量
				fixed diffuse = max(0, dot(worldLightDir, worldNormal)); // 计算漫反射值
				getLineWeights(diffuse, o.w1, o.w2); // 根据漫反射值获取6张素描纹理的权重
				return o; 
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {			
				fixed4 lineTex1 = tex2D(_Line1, i.uv) * i.w1.x;
				fixed4 lineTex2 = tex2D(_Line2, i.uv) * i.w1.y;
				fixed4 lineTex3 = tex2D(_Line3, i.uv) * i.w1.z;
				fixed4 lineTex4 = tex2D(_Line4, i.uv) * i.w2.x;
				fixed4 lineTex5 = tex2D(_Line5, i.uv) * i.w2.y;
				fixed4 lineTex6 = tex2D(_Line6, i.uv) * i.w2.z;
				fixed4 whiteColor = fixed4(1, 1, 1, 1) * i.w1.w;
				fixed4 sketchColor = lineTex1 + lineTex2 + lineTex3 + lineTex4 + lineTex5 + lineTex6 + whiteColor;
				return fixed4(sketchColor.rgb * _Color.rgb, 1.0);
			}
			
			ENDCG
		}
	}

	FallBack "Diffuse"
}

        说明：在 Assets/Resources/Sketch/Materials 目录下创建 Material，重命名为 SketchMat ，将 SketchEffect.shader 赋给 SketchMat 材质，并将 line1 ~ line6 纹理拖拽到 SketchMat 材质中对应位置，调整 Tilling 属性的值。

4 运行效果

        1）原图

        2）素描特效