Unity Toon Shader 卡通着色器（一）：卡通着色
2018.08.18
一直对非真实感渲染 (Non-Photorealistic Rendering) 很感兴趣，正好发现某社出的新游戏中可以选择真实质感或卡通质感，所以想试试在 Unity 里实现一下卡通着色器。
卡通渲染最关键的特征包括不同于真实感渲染的艺术化光影效果和轮廓描边。光影效果即是指将物体受光照的颜色从多色阶降到低色阶，减少颜色的丰富程度。本篇即讨论如何卡通着色，实现该光影效果。
* 本文主要参考 Unity Assets Store 中的 Toony Colors Pro 2 ，模型也来自该工具包。着色器全部使用 Surface Shader 实现。
Github: github.com/Sorumi/UnityToonShader
首先搭一下基本的着色器框架，在 Surface Shader 中自定义光照模型 LightingToon，编译指令中排除多余的渲染路径通道，减少最终生成 shader 的体积。
Properties
{
_Color ("Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
_MainTex ("Main Texture", 2D) = "white" { }
}
SubShader
{
Tags { "RenderType" = "Opaque" }
CGPROGRAM
#pragma surface surf Toon addshadow fullforwardshadows exclude_path:deferred exclude_path:prepass
#pragma target 3.0
fixed4 _Color;
sampler2D _MainTex;
struct Input
{
float2 uv_MainTex;
float3 viewDir;
};
inline fixed4 LightingToon(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten)
{
half3 normalDir = normalize(s.Normal);
float ndl = max(0, dot(normalDir, lightDir));
fixed3 lightColor = _LightColor0.rgb;
fixed4 color;
fixed3 diffuse = s.Albedo * lightColor * ndl * atten;
color.rgb = diffuse;
color.a = s.Alpha;
return color;
}
void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)
{
fixed4 mainTex = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = mainTex.rgb * _Color.rgb;
o.Alpha = mainTex.a * _Color.a;
}
ENDCG
}
这是非卡通渲染只有环境光照 (ambient) 和漫反射 (diffuse) 的效果。
简化颜色
实现原理是把 diffuse 漫反射颜色简化成对比较明显的几个色阶，首先尝试一下降到 2 阶色阶。Diffuse 模型中，法线方向向量与光线方向向量的点积控制着漫反射的强度。
float ndl = max(0, dot(normalDir, lightDir));
设置属性：RampThreshold 色阶阈值，ndl >= threshold 时 ramp = 1， ndl < threshold 时 ramp = 0。但是这样会导致分界线十分明显，所以再增加属性：RampSmooth 色阶间平滑度。使用 smoothstep 平滑函数，根据 RampSmooth 对色阶之间进行过渡。
fixed3 ramp = smoothstep(_RampThreshold - _RampSmooth * 0.5, _RampThreshold + _RampSmooth * 0.5, ndl);
ramp *= atten;
...
fixed3 diffuse = s.Albedo * lightColor * ramp;
可以看到光影对比很明显了，但是这个阴影也太丑了，所以直接用颜色叠加作为阴影和高光。设置属性 HColor 高光颜色和 SColor 阴影颜色。
_SColor = lerp(_HColor, _SColor, _SColor.a);
float3 rampColor = lerp(_SColor.rgb, _HColor.rgb, ramp);
...
fixed3 diffuse = s.Albedo * lightColor * rampColor;
画面一下子就变得干净了，看起来舒服多啦~
增加镜面高光和边缘光
之后再做一些增强画面效果的工作，首先设置镜面光照的相关属性：SpecColor 高光颜色、SpecSmooth 高光色阶的平滑度、Shininess 镜面反射度。
surf 着色器里，使用纹理的 alpha 通道作为光泽度 Gloss 。
void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)
{
...
o.Specular = _Shininess;
o.Gloss = mainTex.a;
}
inline fixed4 LightingToon(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten)
{
half3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
...
float ndh = max(0, dot(normalDir, halfDir));
...
float spec = pow(ndh, s.Specular * 128.0) * s.Gloss;
spec *= atten;
spec = smoothstep(0.5 - _SpecSmooth * 0.5, 0.5 + _SpecSmooth * 0.5, spec);
...
fixed3 specular = _SpecColor.rgb * lightColor * spec;
color.rgb = diffuse + specular;
color.a = s.Alpha;
return color;
}
设置边缘光的属性：RimColor 边缘光颜色、RimThreshold 边缘光阈值、RimSmooth 边缘光色阶的平滑度。法线方向与视线方向夹角越小，与光线方向夹角越大，则边缘光强度越强。
inline fixed4 LightingToon(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten)
{
...
float ndv = max(0, dot(normalDir, viewDir));
...
float rim = (1.0 - ndv) * ndl;
rim *= atten;
rim = smoothstep(_RimThreshold - _RimSmooth * 0.5, _RimThreshold + _RimSmooth * 0.5, rim);
...
fixed3 rimColor = _RimColor.rgb * lightColor * _RimColor.a * rim;
color.rgb = diffuse + specular + rimColor;
color.a = s.Alpha;
return color;
}
阴影纹理
对于模型不同部分，单纯用颜色来做阴影可能缺少层次感，可以考虑使用纹理，对不同部分添加不同的阴影颜色。这里需要自定义 SurfaceOutput ，添加 Shadow 保存纹理采样的颜色。
void surf(Input IN, inout SurfaceOutputCustom o)
{
...
fixed4 shadowTex = tex2D(_ShadowTex, IN.uv_MainTex);
o.Shadow = shadowTex.rgb;
...
}
inline fixed4 LightingToon(SurfaceOutputCustom s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten)
{
...
s.Albedo = lerp(s.Shadow, s.Albedo, ramp);
...
}
多阶色阶
一般，多阶色阶是由美术制作一维色彩表的纹理，对其进行采样获得颜色值。现在来考虑一下用程序来实现。
同样使用 RampThreshold 控制光影的比例。
float diff = smoothstep(_RampThreshold - ndl, _RampThreshold + ndl, ndl);
增加属性 ToonSteps 表示色阶层数。
float ramp = floor(diff * _ToonSteps) / _ToonSteps;
色阶之间需要根据 RampSmooth 平滑过渡，首先来看一下一直使用的 smoothstep 函数。
smoothstep(float min, float max, float t);
根据 t , min 和 max ，返回在 0 到 1 之间的一个数，类似于插值函数 lerp 。但是 lerp 是线性，而 smoothstep 在 min 和 max 处增长缓慢，中间增长较快。
如果 ToonSteps = 5 ，则 ramp 关于 diff 的函数图像为
float interval = 1 / _ToonSteps;
float level = round(diff * _ToonSteps) / _ToonSteps;
ramp = interval * smoothstep(level - _RampSmooth * interval * 0.5, level + _RampSmooth * interval * 0.5, diff) + level - interval;
ramp = max(0, ramp);
ramp *= atten;
但是当 RampSmooth = 1 ，即完全平滑，图像应该是线性的，但是函数图像如下图
为了修正这一点，暂时的做法是加了一个判断
float linearstep(float min, float max, float t)
{
return saturate((t - min) / (max - min));
}
inline fixed4 LightingToon(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten)
{
...
if (_RampSmooth == 1)
{
ramp = interval * linearstep(level - _RampSmooth * interval * 0.5, level + _RampSmooth * interval * 0.5, diff) + level - interval;
}
else
{
ramp = interval * smoothstep(level - _RampSmooth * interval * 0.5, level + _RampSmooth * interval * 0.5, diff) + level - interval;
}
...
}
效果：
