shader非真实感渲染技术
卡通风格渲染技术
轮廓线渲染方法
技术方案
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基于观察角度与表面法线的渲染方法：通过计算视角方向与表面法线的点积结果来确定轮廓线。该方法实现简单，可在单次渲染中完成，但对复杂模型的渲染效果有限。
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双面渲染技术：采用两次渲染，分别处理模型的前后表面，以实现轮廓线的可见性。此方法适合表面光滑的模型，但对于平面模型效果欠佳。
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图像边缘检测技术：利用sobel算子等图像处理算法进行边缘检测。缺点是无法有效检测法线变化微小的边缘，如纸张等平面物体。
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精确轮廓线渲染技术：通过检测相邻面片法线方向差异来实现精准的轮廓线渲染。其判断条件为：
$$ \left( \vec{n}_0 \cdot \vec{v} > 0 \right) \neq \left( \vec{n}_1 \cdot \vec{v} > 0 \right) $$
其中，$\vec{n}_0$和$\vec{n}_1$为相邻面片的法线向量，$\vec{v}$为视角到该边任意顶点的方向向量。
顶点扩展技术
在视角空间中将顶点沿法线方向向外扩展一段距离，从而实现背面轮廓线的显示。为了避免内凹模型出现背面遮挡正面的问题，我们对顶点法线的z分量进行预处理，使其保持一致后再进行扩展：
vertexNormal.z = -0.5;
vertexNormal = normalize(vertexNormal);
vertexPosition = vertexPosition + vertexNormal * outlineWidth;
高光反射技术
在卡通渲染中，高光区域通常表现为明显的纯色区块。我们采用半角向量与法线方向的点积结果与阈值进行比较，来控制高光反射系数。具体计算公式为：
$$ c_{specular} = (c \cdot m_{specular}) \cdot \max(0, \vec{n} \cdot \vec{h})^{m_{gloss}} $$
其中，$\vec{n}$为法线方向，$\vec{h}$为半角向量。
实现方案：
Properties {
_Color ("颜色遮罩", Color) = (1, 1, 1, 1)
_MainTex ("主纹理", 2D) = "white" {}
_Ramp ("渐变纹理", 2D) = "white" {}
_Outline ("轮廓宽度", Range(0, 1)) = 0.1
_OutlineColor ("轮廓颜色", Color) = (0, 0, 0, 1)
_Specular ("高光颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)
_SpecularScale ("高光范围", Range(0, 0.1)) = 0.01
}
SubShader {
Tags { "渲染类型"="不透明" "队列"="几何"}
Pass {
NAME "OUTLINE"
//仅渲染背面
Cull Front
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
float outlineWidth;
fixed4 outlineColor;
struct VertexInput {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct VertexOutput {
float4 pos : SV_POSITION;
};
VertexOutput vert (VertexInput v) {
VertexOutput o;
//计算视角空间顶点位置
float4 pos = mul(UNITY_MATRIX_MV, v.vertex);
//处理法线方向
float3 normal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal);
normal.z = -0.5;
normal = normalize(normal);
//扩展顶点位置
pos = pos + float4(normal, 0) * outlineWidth;
//转换到裁剪空间
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_P, pos);
return o;
}
fixed4 frag(VertexOutput i) : SV_Target {
//设置轮廓颜色
return fixed4(outlineColor.rgb, 1);
}
ENDCG
}
Pass {
Tags { "光照模式"="前向基底" }
//背面已经由前一个Pass处理
Cull Back
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#pragma multi_compile_fwdbase
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
#include "AutoLight.cginc"
#include "UnityShaderVariables.cginc"
fixed4 _Color;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
//渐变纹理
sampler2D _Ramp;
fixed4 specularColor;
fixed specularRange;
struct VertexInput {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
float4 texcoord : TEXCOORD0;
float4 tangent : TANGENT;
};
struct VertexOutput {
float4 pos : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 worldNormal : TEXCOORD1;
float3 worldPos : TEXCOORD2;
SHADOW_COORDS(3)
};
VertexOutput vert (VertexInput v) {
VertexOutput 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;
}
float4 frag(VertexOutput i) : SV_Target {
fixed3 surfaceNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 lightDirection = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
fixed3 viewDirection = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
fixed3 halfDirection = normalize(lightDirection + viewDirection);
fixed4 baseColor = tex2D (_MainTex, i.uv);
fixed3 albedo = baseColor.rgb * _Color.rgb;
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);
fixed diff = dot(surfaceNormal, lightDirection);
diff = (diff * 0.5 + 0.5) * atten;
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * tex2D(_Ramp, float2(diff, diff)).rgb;
fixed spec = dot(surfaceNormal, halfDirection);
//计算邻近像素的梯度变化
fixed w = fwidth(spec) * 2.0;
fixed3 specular = specularColor.rgb * lerp(0, 1, smoothstep(-w, w, spec + specularRange - 1)) * step(0.0001, specularRange);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
