Unity Shader入门精要学习笔记 - 第14章非真实感渲染

转载自 冯乐乐的 《Unity Shader 入门精要》

尽管游戏渲染一般都是以照相写实主义作为主要目标，但也有许多游戏使用了非真实感渲染（NPR）的方法来渲染游戏画面。非真实感渲染的一个主要目标是，使用一些渲染方法使得画面达到和某些特殊的绘画风格相似的效果，例如卡通、水彩风格等。

卡通风格的渲染

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。如下图所示。

要实现卡通渲染有很多方法，其中之一就是使用基于色调的着色技术。在实现中，我们往往会使用漫反射系数对一张一维纹理进行采样，以控制漫反射的色调。卡通风格的高光效果也和我们之前学习的光照不同。在卡通风格总，模型的高光往往是一块块分界明显的纯色风格。

除了光照模型不同外，卡通风格通常还需要在物体边缘部分绘制轮廓。之前我们已经介绍过使用屏幕后处理结束对屏幕图像进行描边。在这里，我们将介绍基于模型的描边方法，这种方法的实现更加简单，而且很多情况下也能得到不错的效果。效果如下图。

在实时渲染中，轮廓线的渲染是应用非常广泛的一种效果。在《Real Time Rendering, third edition》中，作者把绘制模型轮廓线的方法分为5种。

1）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）

2）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。这种方法的有点在于快速有效，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。

3）基于图像处理的轮廓线渲染。有点在于，可以适用于任何种类的模型。局限在于，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。

4）基于轮廓边检测的轮廓线渲染。上面提到的方法，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，n(0)和n(1)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。

5）最后一种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轮廓线，并在图像空间下进行风格化渲染。

我们使用过程几何轮廓线渲染的方法来对模型进行轮廓描边。我们将使用两个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，并在视角空间下把模型顶点沿法线方向向外扩张一段距离，以此来让背部轮廓线可见。代码如下：

viewPos = viewPos + viewNormal * _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，就可能法线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;

之前提到过，卡通风格的高光往往是模型上一块块分界明显的纯色区域。为了实现这种效果，我们就不能再使用之前学习的光照模型。在之前实现Blinn-Phong模型的过程中，我们使用法线点乘光照方向以及视角方向的一半，再和另一个参数进行指数操作得到高光反射系数。代码如下：

float spec = pow(max(0,dot(normal,halfDir)),_Gloss)

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。

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

在上面的代码中，我们使用CG的step函数来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.

但是这种粗暴的判断会在高光区域的边界造成锯齿，如下图左图所示。

出现这种问题的原因在于，高光区域的边缘不是平滑渐变的，而是由0突变到1。要想对其进行抗锯齿处理，我们可以在边界处很小的一块区域内，进行平滑处理，代码如下：

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

上面的代码中，我们没有像之前一样直接使用step函数返回0或1，而是首先使用了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。

当然，卡通渲染的高光往往有更多个性化的需要。例如很多卡通高光特效希望可以随意伸缩、方块话光照区域等。

为了实现上述效果，我们做如下准备工作。

1）新建一个场景，去掉天空盒子

2）新建一个材质，新建一个Shader ，赋给材质

3）场景中新建一个Suzanne 模型，材质赋给模型。

我们修改Shader 代码。

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 14/Toon Shading" {
Properties {
_Color ( "Color Tint", Color) = ( 1, 1, 1, 1)
_MainTex ( "Main Tex", 2D) = "white" {}
//控制漫反射色调的渐变纹理
_Ramp ( "Ramp Texture", 2D) = "white" {}
//用于控制轮廓线宽度
_Outline ( "Outline", Range( 0, 1)) = 0.1
//轮廓线颜色
_OutlineColor ( "Outline Color", Color) = ( 0, 0, 0, 1)
//高光反射颜色
_Specular ( "Specular", Color) = ( 1, 1, 1, 1)
//高光反射阈值
_SpecularScale ( "Specular Scale", Range( 0, 0.1)) = 0.01
}
SubShader {
Tags { "RenderType"= "Opaque" "Queue"= "Geometry"}
//这个Pass只渲染背面的三角面片
Pass {
NAME "OUTLINE"
//剔除正面
Cull Front

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
}
//只渲染正面
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 = mul( UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX (v.texcoord, _MainTex);
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
o.worldPos = mul(_Object2World, 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"
}

素描风格的渲染

另一个非常流行的非真实感渲染是素描风格的渲染。微软研究院的Praun等人在2001年发表了一篇非常著名的论文。在这篇文章中，它们使用了提前生成的素描纹理来实现实时的素描风格渲染，这些纹理组成了一个色调艺术映射（TAM）。如下图所示，从左到右纹理汇总的笔逐渐增多，用于模拟不同光照下的漫反射效果，从上到下则对应了每张纹理的多级渐远纹理。这些多级渐远纹理的生成并不是简单的对上一层纹理进行降采样，而是需要保持笔触之间的间隔，以便更真实地模拟素描效果。

我们将实现一个简化版算法，先不考虑多级渐远纹理的生成，而直接使用6张素描纹理进行渲染。在渲染阶段，我们首先在顶点着色器阶段计算逐顶点的光照，根据光照结果来决定6张纹理的混合权重，并传递给片元着色器。然后在片元着色器中根据这些权重来混合6张纹理的采样结果。效果如下。

我们新建一个Shader实现上述效果。

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 14/Hatching" {
Properties {
_Color ( "Color Tint", Color) = ( 1, 1, 1, 1)
//纹理的平铺系数，越大则素描线条越密
_TileFactor ( "Tile Factor", Float) = 1
_Outline ( "Outline", Range( 0, 1)) = 0.1
//渲染使用的6张素描纹理
_Hatch0 ( "Hatch 0", 2D) = "white" {}
_Hatch1 ( "Hatch 1", 2D) = "white" {}
_Hatch2 ( "Hatch 2", 2D) = "white" {}
_Hatch3 ( "Hatch 3", 2D) = "white" {}
_Hatch4 ( "Hatch 4", 2D) = "white" {}
_Hatch5 ( "Hatch 5", 2D) = "white" {}
}

SubShader {
Tags { "RenderType"= "Opaque" "Queue"= "Geometry"}
//使用之前轮廓线的Pass
UsePass "Unity Shaders Book/Chapter 14/Toon Shading/OUTLINE"

Pass {
Tags { "LightMode"= "ForwardBase" }

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;
float _TileFactor;
sampler2D _Hatch0;
sampler2D _Hatch1;
sampler2D _Hatch2;
sampler2D _Hatch3;
sampler2D _Hatch4;
sampler2D _Hatch5;

struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float4 tangent : TANGENT;
float3 normal : NORMAL;
float2 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
fixed3 hatchWeights0 : TEXCOORD1;
fixed3 hatchWeights1 : TEXCOORD2;
float3 worldPos : TEXCOORD3;
SHADOW_COORDS( 4)
};

v2f vert(a2v v) {
v2f o;

o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
//使用_TileFactor得到采样坐标
o.uv = v.texcoord.xy * _TileFactor;
//逐顶点光照
fixed3 worldLightDir = normalize(WorldSpaceLightDir(v.vertex));
fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
fixed diff = max( 0, dot(worldLightDir, worldNormal));

o.hatchWeights0 = fixed3( 0, 0, 0);
o.hatchWeights1 = fixed3( 0, 0, 0);

float hatchFactor = diff * 7.0;
//计算纹理的权重
if (hatchFactor > 6.0) {
// Pure white, do nothing
} else if (hatchFactor > 5.0) {
o.hatchWeights0.x = hatchFactor - 5.0;
} else if (hatchFactor > 4.0) {
o.hatchWeights0.x = hatchFactor - 4.0;
o.hatchWeights0.y = 1.0 - o.hatchWeights0.x;
} else if (hatchFactor > 3.0) {
o.hatchWeights0.y = hatchFactor - 3.0;
o.hatchWeights0.z = 1.0 - o.hatchWeights0.y;
} else if (hatchFactor > 2.0) {
o.hatchWeights0.z = hatchFactor - 2.0;
o.hatchWeights1.x = 1.0 - o.hatchWeights0.z;
} else if (hatchFactor > 1.0) {
o.hatchWeights1.x = hatchFactor - 1.0;
o.hatchWeights1.y = 1.0 - o.hatchWeights1.x;
} else {
o.hatchWeights1.y = hatchFactor;
o.hatchWeights1.z = 1.0 - o.hatchWeights1.y;
}

o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;

TRANSFER_SHADOW(o);

return o;
}

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
//根据权重采样取色
fixed4 hatchTex0 = tex2D(_Hatch0, i.uv) * i.hatchWeights0.x;
fixed4 hatchTex1 = tex2D(_Hatch1, i.uv) * i.hatchWeights0.y;
fixed4 hatchTex2 = tex2D(_Hatch2, i.uv) * i.hatchWeights0.z;
fixed4 hatchTex3 = tex2D(_Hatch3, i.uv) * i.hatchWeights1.x;
fixed4 hatchTex4 = tex2D(_Hatch4, i.uv) * i.hatchWeights1.y;
fixed4 hatchTex5 = tex2D(_Hatch5, i.uv) * i.hatchWeights1.z;
fixed4 whiteColor = fixed4( 1, 1, 1, 1) * ( 1 - i.hatchWeights0.x - i.hatchWeights0.y - i.hatchWeights0.z -
i.hatchWeights1.x - i.hatchWeights1.y - i.hatchWeights1.z);

fixed4 hatchColor = hatchTex0 + hatchTex1 + hatchTex2 + hatchTex3 + hatchTex4 + hatchTex5 + whiteColor;

UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);

return fixed4(hatchColor.rgb * _Color.rgb * atten, 1.0);
}

ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}