unity 卡通风格渲染

unity 卡通风格的渲染主要分成两个步骤，第一个步骤是给模型描边，第二个步骤是实现卡通着色的高光效果。这两个步骤同时也是对应的两个不同的pass。
第一个步骤首先要剔除正面，然后对背面的轮廓线进行描边，为什么要对背面进行描边呢。当然是因为对正面进行描边的效果很鬼畜啦，删除代码中的Cull Front，会看到下图的效果，所以这时候应该能理解为什么要对背面进行描边了，描边的方法是把顶点往法线的方向扩张一段距离，但是这样的话，如果一些内凹的物体，偏移的时候很可能就直接跑到前面来了，形成的画面很糟糕，因此，这里把所有的z值先减去0.5，然后再进行偏移。
观察代码：

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);

其中有趣的是，我们是在观察空间进行偏移的，而不是在投影空间，因为投影空间已经不是线性变换了，这样扩张会出现错误，我们可以尝试着在投影空间进行上述变化。

float4 pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, 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 = pos;

会出现下图的效果，显然不是我们想要的。
第二个步骤就是高光部分，高光的书写不同于blinn-phong模型，
fixed3 specular = _Specular.rgb * lerp(0, 1, smoothstep(-w, w, spec + _Specul在这里插入代码片arScale - 1)) * step(0.0001, _SpecularScale);
乍一看还是挺复杂的，我们可以去掉一些无关紧要的部分，比如去掉* step(0.0001, _SpecularScale);这个是为了让_SpecularScale=0的时候直接去掉高光，如果直接删掉这部分的话，我们看到原图还是有部分高光，如下图所示，因为_SpecularScale是个浮点数，虽然看起来是0，但是实际上存储的时候就不一定是0了，这句话表示如果_SpecularScale<0.0001的时候就直接把它当做0
然后就是smoothstep函数，这个函数是起的平滑作用，如果值大于w则返回1，小于-w返回0，否则在其中平滑差值，spec + _SpecularScale - 1这个结果和w的数值关系如果没有经验还是很难掌握好的，不过，这个shader里面这样写能得到很好的效果，很多时候，经验所得的数值还是很重要的，需要多积累一下。
完整代码如下：

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" {}_Outline ("Outline", Range(0, 1)) = 0.1_OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0, 0, 0, 1)_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)_SpecularScale ("Specular Scale", Range(0, 0.1)) = 0.01}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry"}Pass {NAME "OUTLINE"Cull FrontCGPROGRAM#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 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;};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(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)) ;return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);}ENDCG}}FallBack "Diffuse"
}

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