人物渲染篇（二） —— 基础卡通渲染下

卡通渲染这方面，Arc System Works 无疑是我目前见过的做的最好的

“NPR就是各种Trick”

怼 Real-Time Rendering 的第7天，写一篇NPR缓一缓，这几天就是看书，然后忙里偷闲玩几把Gwent，听说移动端快出了，舒服

上一篇关于卡通渲染的文章实现了一些卡通渲染基础操作梯度漫反射、顶点扩张描边、边缘光、各向异性高光；
本篇继续对卡通渲染基本操作进行补充。

实验素材来自Toony Colors Pro

由程序控制的多梯度

1. 对光影比例的控制

diffuse的经验模型一般都包含，

float3 ndl = max(0,dot(worldNormal, worldLightDir));

我们可以通过一个量来控制光影的比例

float diff = smoothstep(_RampThreshold - ndl, _RampThreshold + ndl, ndl);

2. 对色阶层数控制

“划分”最常用的方法就是先乘上一个数，再取整

float level = round(diff * _ToonSteps) / _ToonSteps;

这里 / _ToonSteps 目的是在 0 - 1 范围内梯度

3. 控制色阶之间的平滑程度

float interval = 1 / _ToonSteps;
ramp = interval * smoothstep(level - _RampSmooth * interval * 0.5, level + _RampSmooth * interval * 0.5, diff) + level - interval;
ramp = max(0, ramp);

因为smoothstep本身是平滑差值，当RampSmooth = 1，应该是完全平滑，就是说线性，所以这里可以用step或者if处理一下，建议step

阴影部分的颜色控制

1. 增加颜色系数，控制阴影部分颜色

Toony Colors Pro 2 中的做法是用 “_ShadowColor” 和 “_HightLIghtColor” 差值，把“_ShadowColor”的a通道作为差值系数，控制叠加在片段上的高光和阴影颜色

_SColor = lerp(_HColor, _SColor, _SColor.a);
float3 rampColor = lerp(_SColor.rgb, _HColor.rgb, ramp);
......
float3 diffuse = albedo * lightColor * rampColor;

2.额外的阴影纹理

虽然需要额外的采样，但是可以增加阴影的层次感，对于不同部分添加不同的阴影颜色，美术更容易控制，不用调半天材质

float4 shadowTex = tex2D(_ShadowTex,i.uv);
albedo = lerp(shadowTex.rgb,albedo.rgb,ramp);

对于描边的控制

日式卡渲趋向于基于几何体生成的方法去描边，角色不同部位的描边粗细和颜色往往更容易控制

比如上图中头发的描边和其他部位描边颜色，衣服描边宽度的粗细变化，甚至有的地方出现了“断线”。
可以通过额外的纹理控制，充分利用各个通道，NPR没有统一标准，这里举一个例子：
A通道，控制描边的粗细，比如 0.0，就能做出断线的效果
RGB，控制描边颜色
还可以更复杂，比如：
A通道，描边的可见性
R通道，控制顶点到摄像机的扩张系数，说白了就是根据距离远近控制(乘)描边粗细
G通道，描边的粗细
B通道，可以预留，也可用来做阴影的遮罩，我们一般需要面部或其它一些部位颜色亮一些

局部曝光

曝光是提升视觉效果的常用手段
比如说，我们可以设置边缘光设置更高的强度，根据需求控制人物不同位置的曝光程度。

对边缘光的控制

基本和梯度漫反射一样，可以提供对边缘光面积和平滑程度的控制。原理也基本同上

对于高光的控制

增加额外的控制高光的灰度图或通道，或者各向异性高光，在上一篇文章已经提到

支持多光源的卡通渲染

以前向渲染为前提
除了不同光源的衰减计算之外，在ForwardBase中计算过的东西，是完全搬运到ForwardAdd中，还是有选择性的去掉一些东西。这取决于Shader的情况和需求。 NPR和BPR在这一方面是完全不同的，效果好看就完事儿了。

举个例子

实验素材来自MiHoYo的崩坏，它的人物渲染和罪恶装备Xrd极为相似。
前几天还原了MiHoYo的一个人物，好像叫白练？，除了头发对于面部的阴影，其他地方大体还原了（头发对面部的阴影按理说也该有了，就是没效果，我以为是暗面计算有问题，可是换成两个片面又没问题了，目前没找出来错误在哪）

顺便提一下，很牛批的软件，就是目前导出图片的时候没Alpha，采样a全是1.0，导致我还得用PS自己加通道，我感觉有必要反馈一下。
MainTex： rgb 颜色， a 是否受光照影响

LightMap：r控制高光颜色， g 控制固定阴影 b 控制高光范围。这是一张RGB图，a没用

高光和阴影控制什么的其实上面也都有提到，就是利用通道控制，只不过用的Trick不一样罢了，很多博主都讲了，我就不再赘述了。

最后奉上一个很普通的卡通渲染Shader

有3个Pass，ForwardBase，ForwardAdd，ShadowCaster。
卡通渲染不一定要OutLine，这个Shader只是用来看着玩，NPR务必根据需求自己写 (借鉴+增删改)。

Shader "GaoShuai/MultiLightItem" {Properties {//颜色_Color ("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)_HColor ("Highlight Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)_SColor ("Shadow Color", Color) = (0.8, 0.8, 0.8, 1.0)//主纹理_MainTex ("Main Texture", 2D) = "white" {}//梯度_ToonSteps ("Steps of Toon", range(1, 9)) = 2_RampThreshold ("Ramp Threshold", Range(0.1, 1)) = 0.5_RampSmooth ("Ramp Smooth", Range(0, 1)) = 0.1//高光_SpecColor ("Specular Color", Color) = (0.5, 0.5, 0.5, 1)_SpecSmooth ("Specular Smooth", Range(0, 1)) = 0.1_Shininess ("Shininess", Range(0.001, 10)) = 0.2_Gloss("Gloss",Range(0.0,1.0))=1.0// 边缘光_RimColor ("Rim Color", Color) = (0.8, 0.8, 0.8, 0.6)_RimThreshold ("Rim Threshold", Range(0, 1)) = 0.5_RimSmooth ("Rim Smooth", Range(0, 1)) = 0.1}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" }Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_fog#pragma multi_compile_fwdbase#pragma multi_compile_instancing#pragma enable_d3d11_debug_symbols#include "Lighting.cginc"#include "AutoLight.cginc"float4 _Color;float4 _HColor;float4 _SColor;sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float _RampThreshold;float _RampSmooth;float _ToonSteps;float _SpecSmooth;float _Shininess;float _Gloss;float4 _RimColor;float _RimThreshold;float _RimSmooth;struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float4 texcoord : TEXCOORD0;float4 tangent : TANGENT;UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID}; struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 worldPos : TEXCOORD2;SHADOW_COORDS(3)UNITY_FOG_COORDS(4)};UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)v2f vert (a2v v) {v2f o;UNITY_SETUP_INSTANCE_ID(v);o.pos = UnityObjectToClipPos( 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);UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos);return o;}float4 frag(v2f i) : SV_Target { float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);float3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));float3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));float3 lightColor = _LightColor0.rgb;float4 c = tex2D (_MainTex, i.uv);float3 albedo = c.rgb * _Color.rgb;float Alpha = c.a*_Color.a;float Specular = _Shininess;UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);float3 floatDir = normalize(worldLightDir + worldViewDir);float3 ndl = max(0,dot(worldNormal, worldLightDir));      //光照系数float ndh = max(0, dot(worldNormal, floatDir));          //高光系数float ndv = max(0, dot(worldNormal, worldViewDir));     //边缘光系数//控制光影比例float diff = smoothstep(_RampThreshold - ndl, _RampThreshold + ndl, ndl);float interval = 1 / _ToonSteps;//简化颜色，划分色阶float level = round(diff * _ToonSteps) / _ToonSteps;float ramp ;//平滑过渡色阶ramp = interval * smoothstep(level - _RampSmooth * interval * 0.5, level + _RampSmooth * interval * 0.5, diff) + level - interval;ramp = max(0, ramp);ramp *= atten;//使用颜色叠加，对高光部分和阴影部分叠色_SColor = lerp(_HColor, _SColor, _SColor.a);float3 rampColor = lerp(_SColor.rgb, _HColor.rgb, ramp);//高光计算float spec = pow(ndh, Specular * 128.0) * _Gloss;spec *= atten;spec = smoothstep(0.5 - _SpecSmooth * 0.5, 0.5 + _SpecSmooth * 0.5, spec);//边缘光计算float rim = (1.0 - ndv) * ndl;rim *= atten;rim = smoothstep(_RimThreshold - _RimSmooth * 0.5, _RimThreshold + _RimSmooth * 0.5, rim);float4 color;float3 diffuse = albedo * lightColor * rampColor; //叠加颜色float3 specular = _SpecColor.rgb * lightColor * spec;float3 rimColor = _RimColor.rgb * lightColor * _RimColor.a * rim;color.rgb = diffuse + specular + rimColor;color.a = Alpha;UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, color);return color;}ENDCG}Pass {Tags { "LightMode"="ForwardAdd" }Blend One OneCGPROGRAM#pragma multi_compile_fwdadd    #pragma multi_compile_instancing#pragma enable_d3d11_debug_symbols      #pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Lighting.cginc"#include "AutoLight.cginc"float4 _Color;float4 _HColor;float4 _SColor;sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float _RampThreshold;float _RampSmooth;float _ToonSteps;float _SpecSmooth;float _Shininess;float _Gloss;float4 _RimColor;float _RimThreshold;float _RimSmooth;struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float4 texcoord : TEXCOORD0;float4 tangent : TANGENT;UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID}; struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 worldPos : TEXCOORD2;SHADOW_COORDS(3)};v2f vert (a2v v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos( 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;}UNITY_INSTANCING_BUFFER_START(Props)UNITY_INSTANCING_BUFFER_END(Props)float4 frag(v2f i) : SV_Target { float3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHTfixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);#elsefixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);#endiffloat3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));float3 lightColor = _LightColor0.rgb;float4 c = tex2D (_MainTex, i.uv);float3 albedo = c.rgb * _Color.rgb;float Alpha = c.a*_Color.a;float Specular = _Shininess;#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHTfixed atten = 1.0;#else#if defined (POINT)float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1)).xyz;fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;#elif defined (SPOT)float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1));fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;#elsefixed atten = 1.0;#endif#endiffloat3 floatDir = normalize(worldLightDir + worldViewDir);float3 ndl = max(0,dot(worldNormal, worldLightDir));      float ndh = max(0, dot(worldNormal, floatDir));           float diff = smoothstep(_RampThreshold - ndl, _RampThreshold + ndl, ndl);float interval = 1 / _ToonSteps;float level = round(diff * _ToonSteps) / _ToonSteps;   float ramp = interval * smoothstep(level - _RampSmooth * interval * 0.5, level + _RampSmooth * interval * 0.5, diff) + level - interval;ramp = max(0, ramp);  ramp *=atten;float spec = pow(ndh, Specular * 128.0) * _Gloss;spec *= atten;spec = smoothstep(0.5 - _SpecSmooth * 0.5, 0.5 + _SpecSmooth * 0.5, spec);float4 color;float3 diffuse = albedo * lightColor * ramp;float3 specular = _SpecColor.rgb * lightColor * spec;color.rgb = specular + diffuse;color.a = Alpha;return color;}ENDCG}pass {Tags{ "LightMode" = "ShadowCaster"}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_shadowcaster#pragma enable_d3d11_debug_symbols#include "UnityCG.cginc"struct v2f{V2F_SHADOW_CASTER;};v2f vert(appdata_full v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o)return o;}float4 frag(v2f o) :SV_Target{SHADOW_CASTER_FRAGMENT(o)}ENDCG}}
}