其實這是現(xiàn)在一些游戲 很喜歡的渲染方式块请，最后出來的效果還是很不錯的

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非真實感渲染 （Non-Photorealistic Rendering， NPR）的方法來渲染游戲畫面晕讲。得到類似水彩覆获，卡通的風格马澈，其實可以模擬中國水墨畫感覺

卡通風格的渲染

卡通風格，有一些共有的特點弄息，物體都被黑色的線條描邊痊班，以及分明的明暗變化。實現(xiàn)卡通渲染有很多方法疑枯，一種就是使用基于色調(diào)的著色技術(shù)（tone-based shading）辩块，Gooch等人也在一篇論文中提出并實現(xiàn)了基于色調(diào)的光照模型蛔六。在實現(xiàn)中荆永，我們往往會使用漫反射系數(shù)對一張一維紋理進行采樣，以控制漫反射的色調(diào)国章【咴浚卡通風格的高光效果也和我們之前學習的光照不同，卡通風格中液兽，模型的高光往往是一塊塊分界明顯的純色區(qū)域骂删。除了光照模型不同外，卡通風格通常還需要在物體邊緣部分繪制輪廓四啰。使用屏幕后處理技術(shù)對圖像進行描邊宁玫。這里我們將基于模型的描邊方式，這種方法實現(xiàn)更加簡單柑晒，也能得到不錯的效果欧瘪。

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渲染輪廓線

在實時渲染中，輪廓線渲染是應(yīng)用非常廣泛的一種效果匙赞。在《Real Time Rendering, third edition》一書中佛掖，作者分成了5種類型

• 基于觀察角度和表面法線的輪廓線渲染。這種方法使用視角方向和表面法線的點乘結(jié)果來得到輪廓線的信息涌庭。這種方法簡單快速芥被，可以在一個Pass中得到渲染結(jié)果，但局限性很大坐榆，很多模型渲染出來的效果不盡如人意拴魄。
• 過程式幾何輪廓線渲染，這種方法核心是使用兩個Pass渲染席镀，第一個pass渲染背面的面片匹中，使用某些技術(shù)讓他的輪廓可見；第二個Pass再正常渲染正面的面片愉昆。這種方法的優(yōu)點在于快速有效职员，并且適用于大多數(shù)表面平滑的模型，但他的缺點就是不適合類似立方體的這樣平整的模型跛溉。
• 基于圖像處理的輪廓線渲染焊切，前兩章說的邊緣檢測就是這種方法扮授。優(yōu)點在于適用任何種類的模型，但也有自身的局限性专肪，一些深度和法線變化很小的輪廓無法被檢測出來刹勃，例如桌子上的紙張『坑龋基于輪廓邊檢測的輪廓線渲染荔仁。
  各種方法，一個最大的問題就是芽死，無法控制輪廓線的風格渲染乏梁，對于一些情況，我們希望可以渲染出獨特風格的輪廓線关贵，例如水墨風格等遇骑。

為此，我們希望是可以檢測出精確的輪廓邊揖曾，直接渲染他們落萎。檢測一條邊是否是輪廓邊的公式很簡單，只需要檢查和這條邊相鄰的兩個三角面片是否滿足以下條件：

公式

• 最后一個種類就是混合了上述的幾種渲染方法再登。例如，首先找到精確的輪廓邊晾剖，把模型和輪廓邊渲染到紋理中锉矢，再使用圖像處理的方法識別出輪廓線，并在圖像空間下進行風格化渲染

將會在Unity中 使用過程式幾何輪廓線渲染的方法來對模型進行輪廓描邊齿尽。我們將使用兩個Pass渲染模型：在第一個Pass中沽损，我會使用輪廓線顏色渲染整個背面的面片，并在視角空間下把模型頂點沿著法線方向向外擴張一段距離循头，以此來讓背部輪廓線可見绵估。

viewPos = viewPos + viewNormal *_Outline

但是炎疆，如果直接使用頂點法線進行擴展，對于一些內(nèi)凹的模型国裳，就可能發(fā)生背面面片遮擋正面面片的情況形入，為了盡可能防止這樣的情況，在擴張背面頂點之前缝左，首先對頂點法線的z分量處理亿遂，使它們等于一個定值，然后把法線歸一化后再對頂點進行擴張渺杉。這樣的好處在于蛇数，擴展后的背面更加扁平化，從而降低了遮擋正面面片的可能性

    viewNormal.z = -0.5;
    viewNormal = normalize(viewNormal);
    viewPos = viewPos + viewNormal * _Outline;

添加高光

卡通風格中的高光往往是模型上一塊塊分界明顯的純色區(qū)域少办，為了這種效果苞慢，不能用之前的光照模型。之前實現(xiàn)的Blinn-Phong模型的過程中英妓，我們用法線點乘光照方向以及視角方向和的一半，在和另外一個參數(shù)進行指數(shù)操作得到高光反射系數(shù)绍赛。

  float spec  = pow(max(0, dot(normal, halfDir)), _Gloss)

對于卡通渲染需要的高光反射光照模型蔓纠，我們同樣需要計算normal和halfDir 的點乘結(jié)果，不同的是吗蚌，把該值和一個閥值進行比較腿倚，如果小于該閥值，則高光反射系數(shù)為0蚯妇，否則返回1

      float spec = dot(worldNormal敷燎，worldHalfDir)；
      spec  =  step（threshold箩言， spec）硬贯；

我們用CG的step函數(shù) 來實現(xiàn)和閥值比較的目的，step函數(shù)接受兩個參數(shù)陨收，第一個參數(shù)是參考值饭豹，第二個參數(shù)是待比較的值。spec大于threshold 就返回1务漩，否則返回0拄衰。
但是這樣會造成高光區(qū)域的邊界造成鋸齒。
出現(xiàn)這種問題的原因在于饵骨，高光區(qū)域的邊緣不是平滑漸變的翘悉，而是從0突變到1.要想對其進行抗鋸齒處理，可以在邊緣很小的一塊區(qū)域內(nèi)居触，進行平滑處理

    float spec = dot(worldNormal, worldHalfDir);
    spec = lerp(0,1,smoothstep(-w,w, spec- threshold));

這里使用了** CG的 smoothstep函數(shù)** 其中 w是一個很小的值妖混，當spec- threshold 小于-w時包吝，返回0，大于w時源葫，返回1诗越，否則就在 0和1 之間進行插值。這樣的效果息堂，我們可以在【-w 嚷狞， w】區(qū)間內(nèi)，即高光區(qū)域的邊界處荣堰，得到一個從0 到1 的平滑變化的spec值床未，從而實現(xiàn)抗鋸齒效果。這里我們可以把w設(shè)置為一個很小的定值振坚，但這里我們使用領(lǐng)域像素之間的近似導數(shù)值薇搁，可以通過 CG的fwidth函數(shù)來得到。

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實現(xiàn)

1.聲明各個屬性

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
}

其中孵坚，_Ramp 是用于控制漫反射色調(diào)的漸變紋理, _Outline 用于控制輪廓線寬度, _OutlineColor對應(yīng)了輪廓線顏色，_Specular 是高光反射顏色窥淆，_SpecularScale 用于控制計算高光反射時使用的閥值卖宠。
2.定義渲染輪廓線的Pass，這個pass只渲染背面的三角米面片忧饭，需要設(shè)置正確的渲染狀態(tài)

       Pass{
              NAME "OUTLINE"
              Cull  Front
}

Cull 指令把正面的三角面片剔除扛伍，而只渲染背面。用**NAME命令為該Pass定義名稱眷昆。這樣可以在別的Pass中直接調(diào)用蜒秤，不需要重復寫
3.定義描邊需要的頂點著色器和片元

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);  //視角空間的法線向量
                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);               
            }

首先把頂點和法線變換到視角空間下，是為了讓描邊可以在觀察空間達到最好效果亚斋。隨后作媚，設(shè)置法線的z分量，對其歸一化后 再將頂點沿其方向擴張帅刊，得到擴張后的頂點坐標纸泡。對法線的處理是為了盡可能的避免背面擴展后頂點擋住正面的面片。最后赖瞒，把頂點從視角空間變換到裁剪空間女揭。
片元的代碼簡單蚤假，用輪廓線顏色渲染整個背面即可
4.定義 光照模型所在的Pass，以渲染模型正面吧兔。由于需要使用Unity提供的光照等信息磷仰。添加對應(yīng)的編譯命令

      Pass{
            Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
            Cull Back
            CGPROGRAM
             #pragma vertex vert
            #pragma   fragment  frag

            #pragma  multi_compile_fwdbase
}

將LightMode 設(shè)置為ForwardBase， 并且使用＃pragma 語句設(shè)置了編譯指令境蔼，這些都是為了讓Shader 中的光照變量可以被正確賦值灶平。
5.定義 頂點著色器

            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(_Object2World, v.vertex).xyz;
                
                TRANSFER_SHADOW(o);
                return o;
            }

界空間下的法線方向和頂點位置，并使用Unity 提供的內(nèi)置宏SHADOW_COORDS 和
TRANSFER_SHADOW 來計算陰影所需的各個變量箍土。這些宏的實現(xiàn)原理可以參見9.4 節(jié)逢享。
6.片元著色器 包含計算 高照模型的關(guān)鍵代碼

      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)) * step(0.0001, _SpecularScale);
                
                return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}

計算光照模型中需要的各個方向矢量，對他們進行歸一化處理吴藻。 然后瞒爬，計算材質(zhì)的反射率albedo和環(huán)境光照 ambient。
使用內(nèi)置的UNITY_LIGHT_ATTENUATION 宏來計算當前世界坐標下的陰影值沟堡。隨后 計算了半蘭伯特漫反射系數(shù)侧但，并和陰影值相乘得到最終的漫反射系數(shù)。
使用這個漫反射系數(shù)對漸變紋理 _Ramp 進行采樣弦叶，并將結(jié)果和材質(zhì)的反射率俊犯，光照顏色相乘，作為最后的漫反射光照伤哺。
高光反射的計算和上面介紹的技術(shù)一樣。使用fwidth對高光區(qū)域的邊界進行抗鋸齒處理者祖，并將計算而得的高光反射系數(shù)和高光反射顏色相乘立莉，得到高光反射的光照部分。
我們最后還使用了step(0.000 1 七问， _SpecularScale）蜓耻，這是為了在 _SpecularScale 為0 時，可以完全消除高光反射的光照械巡。
最后刹淌，返回環(huán)境光照、漫反射光照和高光反射光照疊加的結(jié)果

7. Fallback 使用 FallBack "Diffuse"

素描風格的渲染

微軟研究院的Praun 等人在2001 年的SIGGRAPH 上發(fā)表了一篇非常著名的論文[4]讥耗。在這篇文章中有勾，他們使用了提前生成的素描紋理來實現(xiàn)實時的素描風格渲染，這些紋理組成了一個色調(diào)藝術(shù)映射（ Tonal Art Map, TAM ）古程，如圖蔼卡，從左到右紋理中的筆觸逐漸增多，用于模擬不同光照下的漫反射效果挣磨，從上到下則對應(yīng)了每張紋理的多級漸遠紋理（mipmaps）這些多級漸遠紋理的生成不是簡單的對上一層紋理進行降采樣雇逞，而是需要保持筆觸之間的間隔荤懂，以便更真實的模擬素描效果。

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image

Properties {
        _Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _TileFactor ("Tile Factor", Float) = 1
        _Outline ("Outline", Range(0, 1)) = 0.1
        _Hatch0 ("Hatch 0", 2D) = "white" {}
        _Hatch1 ("Hatch 1", 2D) = "white" {}
        _Hatch2 ("Hatch 2", 2D) = "white" {}
        _Hatch3 ("Hatch 3", 2D) = "white" {}
        _Hatch4 ("Hatch 4", 2D) = "white" {}
        _Hatch5 ("Hatch 5", 2D) = "white" {}
    }

其中册烈，_Color 用于控制模型顏色的屬性， _TileFactor 是紋理的平鋪系數(shù)婿禽， _TileFactor 越大赏僧，模型上的素描線條越密，我們把 _TileFactor 設(shè)置為8扭倾。 _Hatch0 至 _Hatch5對應(yīng)了渲染時使用的6 張素描紋理淀零，它們的線條密度依次增大。
（2）素描風格 需要在物體周圍渲染輪廓線膛壹，直接使用 上一節(jié)中的 渲染輪廓線Pass

SubShader{
        Tags{"RenderType" = " Opaque"  "Queue" = "Geometry"}
        UsePass "Unity Shaders Book/Chapter 14/Toon Shading/OUTLINE"
}

這里注意就是shader的名稱驾中， pass名字要全部大寫，原保存的時候Unity會自動轉(zhuǎn)大寫模聋。
（3）定義光照模型的Pass肩民，為了能夠正確獲取各個光照變量，所以要對應(yīng)的編譯指令

 Pass{
        Tags{ "LightMode" = "ForwardBase"}
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma  fragment frag

        #pragma multi_compile_fwdbase
}

（4）因為有6個紋理的 混合權(quán)重链方，需要在v2f結(jié)構(gòu)中定義相應(yīng)的變量

struct v2f{
          float4 pos : SV_POSITION;
          float2 uv : TEXCOORD0;
          fixed3  hatchWeights0 ：TEXCOORD1持痰；
          fixed3  hatchWeights1 : TEXCOORD2;
          float3  wordlPos : TEXCOORD3;
          SHADOW_COORDS(4)
}

由于一共聲明了6 張紋理，這意味著需要6 個混合權(quán)重祟蚀，我們把它們存儲在兩個fixed3 類型的變量（hatchWeights0 和hatchWeights1）中工窍。為了添加陰影效果，我們還聲明了worldPos 變量前酿，并使用SHADOW_COORDS 宏聲明了陰影紋理的采樣坐標患雏。
(5) 定義頂點著色器

v2f vert(a2v v){
      v2f o;
      o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
      o.uv = v.texcoord.xy * _TileFactor;
      fixed3 worldLightDir  = normalize(WorldSpaceLightDir( v.vertex));
      fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); 
      fixed diff = max(0, dot(worldLightDir, worldNormal));
      o.hatchWeights0 =  fixed3(0,0,0);
      o.hatchWeights1 = fixed3(0,0,0);
      
       float  hatchFactor = diff* 7.0;
      if(hatchFactor >6.0){
          //Pure  white 純白 不做事情
      }else if(hatchFactor >5.0){
          o.hatchWeights0.x = hatchFactor - 5.0;
      }else if(hatchFactor >4.0){
          o.hatchWeights0.x = hatchFactor - 4.0;
          o.hatchWeights0.y = 1.0 - o.hatchWeights0.x;
      }else if(hatchFactor >3.0){
          o.hatchWeights0.y = hatchFactor -3.0;
          o.hatchWeights0.z = 1.0 - o.hatchWeights0.y;
      }else if(hatchFactor >2.0){
          o.hatchWeights0.z = hatchFactor - 2.0;
          o.hatchWeights1.x = 1.0 - o.hatchWeights0.z;
      }else if(hatchFactor >1.0){
          o.hatchWeights1.x = hatchFactor - 1.0;
          o.hatchWeights1.y = 1.0 - o.hatchWeights0.x;
      }else {
        o.hatchWeights1.y = hatchFactor;
        o.hatchWeights1.z = 1.0 - o.hatchWeights1.y;
    }
        o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
                
    TRANSFER_SHADOW(o);
                
    return o;
}

先對頂點進行了 基本的坐標變換，然后薪者，使用_TileFactor 得到紋理采樣坐標纵苛。在計算6張紋理的混合權(quán)重之前，我們首先需要計算逐頂點光照。所以攻人，使用世界空間下的光照方向和法線方向得到漫反射系數(shù)diff取试。
然后把權(quán)重值 初始為0；把diff 縮放到【0,7】范圍怀吻，得到hatchFactor瞬浓。 把【0,7】區(qū)間均勻劃分為7個子區(qū)間，通過判斷hatchFactor所處的區(qū)間來計算對應(yīng)的紋理混合權(quán)重蓬坡。最后猿棉，計算頂點的世界坐標，并使用 TRANSFER_SHADOW宏來計算陰影紋理采樣屑咳。
（6）定義片元著色器

fixed4 frag(v2f i):SV_Target{
        fixed4 hatchTex0 = tex2D(_Hatch0, i.uv) * i.hatchWeights0.x;
        fixed4 hatchTex1 = tex2D(_Hatch1, i.uv) * i.hatchWeights0.y;
        fixed4 hatchTex2 = tex2D(_Hatch2, i.uv) * i.hatchWeights0.z;
       fixed4 hatchTex3 = tex2D(_Hatch3, i.uv) * i.hatchWeights1.x;
    fixed4 hatchTex4 = tex2D(_Hatch4, i.uv) * i.hatchWeights1.y;
    fixed4 hatchTex5 = tex2D(_Hatch5, i.uv) * i.hatchWeights1.z;
        fixed4 whiteColor = fixed4(1, 1, 1, 1) * (1 - i.hatchWeights0.x - i.hatchWeights0.y -i.hatchWeights0.z - i.hatchWeights1.x - i.hatchWeights1.y - i.hatchWeights1.z);
        fixed4 hatchColor = hatchTex0 + hatchTex1 + hatchTex2 + hatchTex3 + hatchTex4 + hatchTex5 + whiteColor;
                
    UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);
                                
    return fixed4(hatchColor.rgb * _Color.rgb * atten, 1.0);
}

FallBack "Diffuse"

得到6張紋理的 混合權(quán)重后萨赁，對每張紋理進行采樣 并和它們對應(yīng)的權(quán)重值相乘得到每張紋理的采樣顏色。我們還計算了純白在渲染中的貢獻度兆龙，這是通過從1中減去所有6張紋理的權(quán)重來得到的杖爽。這是因為素描中往往有留白的部分，因此我們希望在最后的渲染中紫皇，光照最亮的部分是純白慰安。最后混合各個顏色值，并和陰影值 atten聪铺，模型顏色——Color相乘后返回化焕。

14.3 擴展閱讀
在工業(yè)界，非真實感渲染己被應(yīng)用到很多成功的游戲中铃剔， 除了之前提及的《大神》和《軍團要塞2》外撒桨， 還有最近的《海島奇兵》《三國志》等游戲都可以看到非其實感渲染的身影。在學術(shù)界键兜， 有更多出色的非真實感渲染的工作被提了出來元莫。讀者可以在國際討論會NPAR( Non-Photorealistic Animation and Rendering ）上找到許多關(guān)于非真實感渲染的論文。浙江大學的耿衛(wèi)東教授編篡的書籍《藝術(shù)化繪制的圖形學原理與方法》（英文名： The Algorithms and Principles of Non-photorealistic Graphics)[5], 也是非常好的學習材料蝶押。這本書概述了近年來非真實感渲染在各個領(lǐng)域的發(fā)展，并簡述了許多有重要貢獻的算法過程火欧， 是一本非常好的參考書籍棋电。
在Unity 的資源商店中， 也有許多優(yōu)秀的非真實感渲染資源苇侵。例如赶盔， Toon Shader Free
( https://www.assetstore.unity3d.com/cn/#!/content/21288 ）是一個免費的卡通資源包， 里面實現(xiàn)了包括輪廓線渲染等卡通風格的渲染榆浓。Toon Styles Shader Pack ( https://www.assetstore.unity3d.com/cn/#!/content/7212 ）是一個需要收費的卡通資源包于未，它包含了更多的卡通風格的Unity Shader 。Hand-Drawn Shader Pack ( http://www.assetstore.unity3d.com/cn/#!/content/12465 ）同樣是一個需要收費的非真實感渲染效果包， 它包含了諸如鉛筆渲染烘浦、蠟筆渲染等多種手繪風格的非真實感渲染效果抖坪。