Unity Shader NPR 卡通渲染

卡通渲染的主要原理包含两个方面：

1.轮廓线的描边效果

2.模型漫反射离散和纯色高光区域的模拟

描边：

描边的实现方法采用将模型的轮廓线顶点向法线（或顶点）的方向扩展一定的像素得到。也可通过边缘检测（基于法线和深度）来实现。

漫反射离散：

 利用离散的Ramp纹理对漫反射光照效果进行采样，可以实现不同效果梯度的卡通渲染效果，例如：

 

注意此纹理的灰度变化并非均匀变化，而是类似于一种突变，仅在灰度变化的交界处进行了平滑过渡。这样的Ramp纹理正是卡通渲染所需要的颜色过渡模式，也是卡通渲染实现的核心内容。

也可增加阶度的个数实现更多层次的卡通渲染效果。

纯色高光区域：

不同于真实渲染，卡通渲染的高光部分通常就是一个色块，这里主要的问题是处理高光边缘的锯齿问题。

这里可以利用smoothstep(-w,w,spec-threshold);在边缘范围[-w,w]进行平滑插值处理，其中w可以通过fwidth(spec);得到。

fwidth(spec);用于得到邻域像素的近似导数值。

Shader脚本如下，光照模型采用半兰伯特：

Shader "MyUnlit/CartoonShading"
{
    Properties
    {
        _Color("Color Tint",Color)=(1,1,1,1)
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Ramp("Ramp Texture",2D)="white"{}
        _Outline("Outline",Range(0,0.1))=0.02
        _Factor("Factor of Outline",Range(0,1))=0.5
        _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" }
        //此Pass渲染描边
        Pass
        {
            //命名用于之后可重复调用
            NAME "OUTLINE"
            //描边只用渲染背面，挤出轮廓线，所以剔除正面
            Cull Front
            //开启深度写入，防止物体交叠处的描边被后渲染的物体盖住
            ZWrite On
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            float _Outline;
            float _Factor;
            fixed4 _OutlineColor;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal:NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                float3 pos=normalize(v.vertex.xyz);
                float3 normal=normalize(v.normal);

                //点积为了确定顶点对于几何中心的指向，判断此处的顶点是位于模型的凹处还是凸处
                float D=dot(pos,normal);
                //校正顶点的方向值，判断是否为轮廓线
                pos*=sign(D);
                //描边的朝向插值，偏向于法线方向还是顶点方向
                pos=lerp(normal,pos,_Factor);
                //将顶点向指定的方向挤出
                v.vertex.xyz+=pos*_Outline;
                o.vertex=UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                return fixed4(_OutlineColor.rgb,1);
            }
            ENDCG
        }
        //此Pass渲染卡通着色效果，主要运用半兰伯特光照模型配合渐变纹理
        Pass
        {
            Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
            Cull Back
            CGPROGRAM
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma multi_compile_fwdbase

            #include "UnityCG.cginc"
            //引入阴影相关的宏
            #include "AutoLight.cginc"
            //引入预设的光照变量，如_LightColor0
            #include "Lighting.cginc"

            fixed4 _Color;
            sampler2D _MainTex;
            sampler2D _Ramp;
            fixed4 _Specular;
            fixed _SpecularScale;
            float4 _MainTex_ST;

            struct appdata
            {
                float4 vertex:POSITION;
                float2 uv:TEXCOORD0;
                float3 normal:NORMAL;
                float4 tangent:TANGENT;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos:SV_POSITION;
                float2 uv:TEXCOORD0;
                float3 worldNormal:TEXCOORD1;
                float3 worldPos:TEXCOORD2;
                SHADOW_COORDS(3)
            };

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos=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);
                TRANSFER_SHADOW(o);

                return o;
            }

            fixed4 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);

                //计算材质反射率
                fixed4 c=tex2D(_MainTex,i.uv);
                fixed3 albedo=c.rgb*_Color.rgb;

                //计算环境光
                fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz*albedo;

                //处理阴影
                UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten,i,i.worldPos);

                //计算半兰伯特漫反射系数，亮化处理，将结果从[-1,1]映射到[0,1]，以便作为渐变纹理的采样uv
                fixed diff=dot(worldNormal,worldLightDir);
                diff=(diff*0.5+0.5)*atten;

                //卡通渲染的核心内容，对漫反射进行区域色阶的离散变化
                fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*albedo*tex2D(_Ramp,float2(diff,diff)).rgb;

                //计算半兰伯特高光系数，并将高光边缘的过渡进行抗锯齿处理，系数越大，过渡越明显
                fixed spec=dot(worldNormal,worldHalfDir);
                fixed w=fwidth(spec)*3.0;

                //计算高光，在[-w,w]范围内平滑插值
                fixed3 specular=_Specular.rgb*smoothstep(-w,w,spec-(1-_SpecularScale))*step(0.0001,_SpecularScale);

                return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);
            }
            ENDCG    
        }
    }
    FallBack "Diffuse" 
}

效果如下：