卡通渲染-平均法线描边

【01】从零开始的卡通渲染-描边篇]

最近在学习渲染，入门的时候也学了Back facing描边法，但是表现在正方体上割裂严重，就先略过了。

看了这篇文章才了解到平均法线的做法，作者将平均法线存到模型的切线数据中，也提及了可以转换到切线空间再存到颜色或者uv上。因为他只做了存到切线数据的方案，我就想试试使用切线空间法线的方案，写出来才算融会贯通了。

对作者的工具稍作修改，将网格保存到本地。

《UnityShader入门精要》这本书的法线贴图相关章节，提到了TBN矩阵，在C#实现一下，并且类似法线贴图把数值范围处理到[0,1]。

工具：模型平均法线写入顶点颜色

    [MenuItem("Tools/模型平均法线写入顶点颜色")]public static void WriteToColor(){MeshFilter[] meshFilters = Selection.activeGameObject.GetComponentsInChildren<MeshFilter>();foreach (var meshFilter in meshFilters){Mesh mesh = Object.Instantiate(meshFilter.sharedMesh);ToColor(mesh);AssetDatabase.CreateAsset(mesh, "Assets/" + meshFilter.name + "New.mesh");}SkinnedMeshRenderer[] skinMeshRenders = Selection.activeGameObject.GetComponentsInChildren<SkinnedMeshRenderer>();foreach (var skinMeshRender in skinMeshRenders){Mesh mesh = Object.Instantiate(skinMeshRender.sharedMesh);ToColor(mesh);AssetDatabase.CreateAsset(mesh, "Assets/" + skinMeshRender.name + "New.mesh");}}private static void ToColor(Mesh mesh){var averageNormalHash = new Dictionary<Vector3, Vector3>();for (var j = 0; j < mesh.vertexCount; j++){if (!averageNormalHash.ContainsKey(mesh.vertices[j])){averageNormalHash.Add(mesh.vertices[j], mesh.normals[j]);}else{averageNormalHash[mesh.vertices[j]] =(averageNormalHash[mesh.vertices[j]] + mesh.normals[j]).normalized;}}var averageNormals = new Vector3[mesh.vertexCount];for (var j = 0; j < mesh.vertexCount; j++){averageNormals[j] = averageNormalHash[mesh.vertices[j]];//转到切线空间 并且设置成[0,1]范围var mNormal = mesh.normals[j];var mTangent = mesh.tangents[j];var mBinormal = Vector3.Cross(mNormal, new Vector3(mTangent.x, mTangent.y, mTangent.z)) * mTangent.w;//构造是按列，此处需要按行Matrix4x4 matrix = new Matrix4x4(new Vector3(mTangent.x, mTangent.y, mTangent.z).normalized, mBinormal.normalized, mNormal.normalized, Vector4.zero);Matrix4x4 tmatrix = Matrix4x4.Transpose(matrix);//[-1,1]=>[0,2]=>[0,1]averageNormals[j] = (tmatrix.MultiplyVector(averageNormals[j]).normalized + Vector3.one) / 2.0f;}var colors = new Color[mesh.vertexCount];for (var j = 0; j < mesh.vertexCount; j++){colors[j] = new Color(averageNormals[j].x, averageNormals[j].y, averageNormals[j].z, 0);}mesh.colors = colors;}

在Shader是类似的，将矩阵转置一下，就是切线空间转模型空间的矩阵

v2f vert(appdata v)
{v2f o;float4 pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);TANGENT_SPACE_ROTATION;float3 anormal = v.colors.rgb * 2 - 1;//这里再转置(逆)一下，因为rotation是模型空间转切线空间的矩阵anormal = normalize(mul(transpose(rotation), anormal));float3 viewNormal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, anormal.xyz);float3 ndcNormal = normalize(TransformViewToProjection(viewNormal.xyz)) ;//将法线变换到NDC空间float aspect = _ScreenParams.x / _ScreenParams.y;//求得屏幕宽高比ndcNormal.x /= aspect;//pos.w跟距离有关 裁剪后会除掉，进行近大远小缩放，但我们希望远处的描边也一样大，所以乘回去，避免被除没了pos.xy += 0.01 * _OutlineScale * ndcNormal.xy * pos.w;o.vertex = pos;return o;
}

TANGENT_SPACE_ROTATION; 会得到模型空间转切线空间矩阵rotation，再做一下转置就是切线转模型。

anormal就是还原好的模型空间下的平均法线

为了在屏幕上，无论远近描边大小都不变，也就是说要还原“透视除法”的处理，将w分量乘回去。
另外，我们在屏幕上沿着发现扩展的x增量，在视口变换后，会根据屏幕分辨率调整，横屏变得更大竖屏更小，因此也要消除掉这个影响。

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