Unity_Shader高级篇_14_Unity Shader入门精要

第14章非真实感渲染
游戏渲染一般都是以照相写实主义（photorealism）作为主要目标，但也有许多游戏使用了非真实感渲染（Non-Photorealistic Rendering ，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。
接下来我们将学习两种常见的非真实感渲染方法。在14.1中了解包含了简单漫反射、高光和描边的卡通风格的渲染效果。14.2中了解实时素描效果的实现。

14.1 卡通风格的渲染
特点：物体都被黑色的线条描边，以及分明的明暗变化等。
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（tone-based shading）（Gooch等人在他们1998年的一篇论文中提出并实现了基于色调的光照模型）。在现实中，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。我们曾在7.3中实现过这样的效果。卡通风格的高光效果也和我们之前的光照不同。在卡通风格中，模型的高光往往是一块块分界明显的纯色区域。
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。在之前的章节中，我们曾介绍使用屏幕后处理技术对屏幕图像进行扫描。本节中，我们将介绍基于模型的描边方法，这种方法的实现方法更加简单，而且在很对情况下也能得到不错的效果。
14.1.1 渲染轮廓线
在《Real Time Rendering ,third edition》一书中，将模型轮廓线分为五种类型。
·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。
·过程式集合轮廓线渲染。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，并使用某些技术让他的轮廓可见；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，并且使用于绝大多数表面平滑的模型，但他的缺点是不适合类似于正方体这样平整的模型。
·基于图像处理的轮廓线渲染。我们在第12、13章介绍的边缘检测的方法就属于这个类别。这种方法的优点在于，可以使用于任何种类的模型。但他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度的轮廓边，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：

（n（0）·v>0）!= (n(1)·v>0)

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的三角面是否一个朝正面、一个超别面。我们可以在几何4着色器（Geometry Shader）的帮助下实现上面的检查过程。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。
·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。
在本节中，我们将会在Unity中使用过程式几何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。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，使他们等于一个定值，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;

14.1.2 添加高光
回顾一下，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和的一半，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，我们把该值和一个阀值进行比较，如果小于该阀值，则高光反射系数为0，否则返回1。

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

我们使用CG的step函数来实现和阀值比较的目的。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，这种粗暴的判读方法会在高光区域的边界造成锯齿。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。想要对其进行锯齿处理，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));

在上面的代码中，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设一个很小的定值，但在本例中，我们选择使用领域像素重之间的近似发导数值，这可以通过CGfwidth来得到。
Anjyo等人在他们2003年的一篇论文给出了一种风格化的卡通高光的实现。（http://blog.csdn.net/candycat1992/article/）

14.1.3 实现
（1）新建场景（Scene_14_1）。
（2）新建材质（ToonShadingMat）。
（3）新建Unity Shader （Chapter14-ToonShading），并赋给第二步中的材质。
（4）在场景中拖拽一个模型，将第二步中的材质赋给该模型。

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 14/Toon Shading" {Properties {_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}//用于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//对应了轮廓线颜色_OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0, 0, 0, 1)//高光反射颜色_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)//用于控制计算机高光反射时使用的阀值_SpecularScale ("Specular Scale", Range(0, 0.1)) = 0.01}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry"}Pass {//因为这个Pass只渲染背面的三角面片。NAME "OUTLINE"Cull Front//我们使用Cull指令把正面的三角面片剔除，而只渲染背面。//我们还使用NAME命令为该Pass定义了名称。这是因为，描边在非真实感渲染中是//非常常见的效果，为该Pass定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。CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"float _Outline;fixed4 _OutlineColor;struct a2v {float4 vertex : POSITION;//fa x ianfloat3 normal : NORMAL;}; struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;};//定义描边需要的顶点着色器和片元着色器v2f vert (a2v v) {v2f o;//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float4 pos = mul(UNITY_MATRIX_MV, v.vertex); float3 normal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal);  //设置法线的z分量normal.z = -0.5;//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。pos = pos + float4(normalize(normal), 0) * _Outline;//最后把顶点从视角空间变换到裁剪空间。o.pos = mul(UNITY_MATRIX_P, pos);return o;}//片元着色器只需要用轮廓线颜色渲染整背面即可。float4 frag(v2f i) : SV_Target { return float4(_OutlineColor.rgb, 1);               }ENDCG}//定义光照模型所在的Pass，以渲染模型的正面。由于光照模型需要使用Unituy提供的光照等信息。Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" }Cull BackCGPROGRAM#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;}; //定义顶点着色器struct v2f {float4 pos : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 worldPos : TEXCOORD2;SHADOW_COORDS(3)};v2f vert (a2v v) {v2f o;//用于图像效果的助手。大多数图像效果都是一样的(UNITY_MATRIX_MVP)o.pos = mul( UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);// 通过比例 / 偏差属性转换2D UV(TRANSFORM_TEX)o.uv = TRANSFORM_TEX (v.texcoord, _MainTex);//从物体到世界空间的转换 (UnityObjectToWorldNormal)o.worldNormal  = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);//计算世界空间光方向，从物体空间位置遗留下来的请使用UnityWorldSpaceLightDir  (_Object2World)o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;//渲染到点光（cubemap）阴影(TRANSFER_SHADOW)TRANSFER_SHADOW(o);return o;}//上面的代码中，我们计算了世界空间下的法线方向和顶点位置，并使用Unity提供的内置宏//SHADOW_COORDS和TRANSFER_SHADOW来计算阴影所需的各个变量。这些宏的实现原理可以参见9.4         //片元着色器中包含了计算光照模型的关键代码：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);//计算反射率fixed4 c = tex2D (_MainTex, i.uv);fixed3 albedo = c.rgb * _Color.rgb;//计算环境光照fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;//计算阴影值UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);//漫反射系数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);//抗锯齿处理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);}//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。高光反射的计算和14.1.2节中介绍//的方法一致，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。需要注意的是，我们子啊最后还使用了//step（0.0001，_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，返回光照、漫反射光照和高光反射光照叠加的结果。ENDCG}}FallBack "Diffuse"
}

实现结果如下图：

此时实现的卡通渲染光照模型是一种非常简单的实现。在商业项目中，我们往往需要设计和实现更加复杂的光照模型，以得到出色的卡通效果。Valve公司在2007年发表了一篇著名的文章，解释了他们在实现该游戏是使用的相关数。

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