Unity Shader 卡通渲染（五）：仿日式赛璐珞风格 Shader（顶点外扩描边）

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https://blog.csdn.net/qq_27534999/article/details/101080649

一、赛璐璐风格简介

有些人可能会问，什么是赛璐珞风格？

赛璐珞是一种合成树脂。最早在制作动画的时候，美国开始使用以赛璐珞制作的透明胶片，把人物画在胶片上面，背景画在纸上面，就可以做到很多不同的效果。

采用赛璐珞来制作的动画也叫“做赛璐珞动画”，在很长一个时期里面几乎是“手绘动画”的代名词。因为现在已经不用赛璐珞制作动画了，所以现在通常指有线稿和颜色的风格。以分层的方式作画（线稿层、明暗层、上色层、特效层）。

当然，具体风格依照动画不同，还是有所差异，这里仅挑选一个最经典的赛璐珞风格进行实现。

为了更直观的说明，这里以经典动画《星际牛仔》为例：

实际去看动画的话，可以发现人物有几个特征：

①黑色描边，较细且粗细均匀

②颜色平涂，并分为暗部亮部，暗部颜色根据环境不同会有所变化

③头发、金属、皮革等特殊部分会有高光、边缘光

④内部结构线、衬线

其中，第④点在本篇中暂时无法解决，一般的做法是直接画贴图上，不过会比较模糊，更好的办法以后再说吧嘻嘻 ~

首先，本篇会在前几篇的基础上改进 Shader 以实现效果，这里先上最终的效果图：

这边模型和背景比较简陋，可能效果不是很好，如果换更好的模型和背景的话效果会挺惊艳，个人感觉这种风格需要优秀美术资源配合才行，比如下图这样，也是用的相同 Shader：

有一点需要注意的是，这类赛璐珞风格渲染纹理不需要不要过多的细节，有时候多用单色色块反而效果会更好。

话不多说，那么接下来开始对之前的 Shader进行改造吧！

二、添加描边

为了方便观察分析，我们还是用之前那个简陋的模型（初学者专用），到上一篇为止的效果如下图所示：

在上一篇 Shader 的基础上，我们来添加描边，这里用一种比较经典的描边方法——顶点外扩（又称法线外扩、Shell 法）。

顶点外扩的原理就是新增一个 Pass，这个 Pass 将模型的顶点沿着法线向外移动一定距离，然后用 Cull Front 剔除正面，残留下来的面正好作为描边。另外，为了让描边在远近都能保持粗细均匀，我们还需要添加一些针对相机距离的计算。

性能优化注意：描边 Pass 务必放在原 Pass 之后，这样就可以享受 Early-Z 带来的优化，防止造成 OverDraw！

该 Pass 代码具体如下：

Pass
{   Cull FrontCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag// make fog work#pragma multi_compile_fog#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 normal : NORMAL;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;UNITY_FOG_COORDS(1)float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float _Outline;fixed4 _OutlineColor;v2f vert (appdata v){v2f o;//计算与相机的距离，用来保持描边粗细程度float3 posView = mul(UNITY_MATRIX_MV,v.vertex).xyz;float dis = length(posView);float3 normal = v.normal;//顶点沿法线挤出v.vertex = v.vertex + float4(normalize(normal), 0) * _Outline * dis * 0.01;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{// apply fogUNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);return _OutlineColor;}ENDCG
}

效果如下：

三、高光

参考《星际牛仔》的赛璐珞风格，我们不想在皮肤、衣物上有高光，这里可以调整顶点色（详见第三篇）或参数来控制细节，去除皮肤、衣物的高光，或者给金属材质加上高光，，这里就不再赘述。

第三篇顶点色细节控制传送门：https://blog.csdn.net/qq_27534999/article/details/100985558

去掉了大部分的边缘光，只保留鞋子部分的，调整后效果如下：

貌似没有原来好看，但为了还原赛璐珞的平涂风格，先这样吧。

四、阴影色

目前为止阴影色只是单纯的降低明度，然而有时候我们需要让阴影色根据环境来改变，这里有几个办法：

1、直接定义一个阴影色属性：

比较简单，就不多说了，将原来的 Shadow Brightness 阴影亮度换成阴影色即可。

2、根据 Lightning Settings 环境光参数进行调整：

#include "Lighting.cginc"
...
//使用Gradient
fixed3 abientSky = unity_AmbientSky.rgb;
fixed3 abientEquator = unity_AmbientEquator.rgb;
fixed3 abientGround = unity_AmbientGround.rgb;
//使用Color
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;

然后将 Shadow Brightness 阴影亮度换成相应变量即可。

调整后效果如下：

五、成果

另外，开头的另一张效果图，资源可在 Asset Store 免费下（TaichiCharacterPack）。

使用的是相同的Shader（没用顶点色控制），有兴趣的同学可以自己试试：

按惯例，放出完整 Shader 代码如下：

（直接用的话整个模型可能变得全白，这可能是因为模型没有刷顶点色，将 Shader 中 i.color 相关计算删除即可）

Shader "Custom/ToonShadingSimple_v4_SimpleCelluloid"
{Properties{[Header(Main)]_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_Color ("Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)_ShadowColor ("ShadowColor", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)_RimColor ("RimColor", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)_ShadowThreshold ("ShadowThreshold", Range(-1.0, 1.0)) = 0.2//赛璐珞风格通常情况不使用边缘光，RimThreshold 可默认为1_RimThreshold ("RimThreshold", Range(0.0, 1.0)) = 1_RimPower ("RimPower", Range(0.0, 16)) = 4.0_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)_SpecularScale("Specular Scale", Range(0, 0.1)) = 0.02_EdgeSmoothness("Edge Smoothness", Range(0,2)) = 2_Outline("Outline",Range(0,1))=0.1_OutlineColor("OutlineColor",Color)=(0,0,0,1)}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 100Pass{Cull BackTags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag// make fog work#pragma multi_compile_fog#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 normal : NORMAL;fixed4 color : COLOR;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 worldPos : TEXCOORD2;UNITY_FOG_COORDS(3)float4 vertex : SV_POSITION;fixed4 color : COLOR;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;fixed4 _Color;fixed4 _ShadowColor;fixed4 _RimColor;fixed _ShadowThreshold;fixed _RimThreshold;half _RimPower;half _EdgeSmoothness;fixed4 _Specular;fixed _SpecularScale;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;o.color = v.color;UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{//return i.color;fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); //法线 Nfixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); //光照方向 Lfixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos)); //视角方向 Vfixed3 worldHalfDir = normalize(worldLightDir + worldViewDir); //高光计算用// sample the texturefixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv); fixed spec = dot(worldNormal, worldHalfDir)+(i.color.g-0.5)*2;// w值也可用一个较小的值代替，效果差别不大fixed w = fwidth(spec)*_EdgeSmoothness;fixed4 specular = _Specular * lerp(0,1,smoothstep(-w, w, spec+_SpecularScale-1)) * step(0.001, _SpecularScale);fixed diffValue = dot(worldNormal, worldLightDir)+(i.color.r-0.5)*4;fixed diffStep = smoothstep(-w+_ShadowThreshold, w+_ShadowThreshold, diffValue);fixed4 light = _LightColor0 * 0.5 + 0.5;fixed4 diffuse = light * col * (diffStep + (1 - diffStep) * _ShadowColor) * _Color;// 模仿参考文章的方法，感觉效果不是太好// fixed rimValue = 1 - dot(worldNormal, worldViewDir);// fixed rimStep = step(_RimThreshold, rimValue * pow(dot(worldNormal,worldLightDir), _RimPower));fixed rimValue = pow(1 - dot(worldNormal, worldViewDir)+(i.color.b-0.5)*2, _RimPower);fixed rimStep = smoothstep(-w+_RimThreshold, w+_RimThreshold, rimValue);fixed4 rim = light * rimStep * 0.5 * diffStep * _RimColor;fixed4 final = diffuse + rim + specular;// apply fogUNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, final);return  final;}ENDCG}//注意，描边 Pass 放后边，可享受 Early-Z 优化Pass{  Cull FrontCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag// make fog work#pragma multi_compile_fog#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 normal : NORMAL;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;UNITY_FOG_COORDS(1)float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float _Outline;fixed4 _OutlineColor;v2f vert (appdata v){v2f o;//计算与相机的距离，用来保持描边粗细程度float3 posView = mul(UNITY_MATRIX_MV,v.vertex).xyz;float dis = length(posView);float3 normal = v.normal;//顶点沿法线挤出v.vertex = v.vertex + float4(normalize(normal), 0) * _Outline * dis * 0.01;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{// apply fogUNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, col);return _OutlineColor;}ENDCG}}
}

下一篇传送门：

下一篇还没想好要写啥，先这么放着吧

参考文章：

1、萌娘百科 - 赛璐珞

https://zh.moegirl.org/%E8%B5%9B%E7%92%90%E7%8F%9E

2、【NPR】漫谈轮廓线的渲染

https://blog.csdn.net/candycat1992/article/details/45577749

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