Unity3d shader之卡通着色Toon Shading

卡通着色的目的是为了让被着色物体显得过渡的不那么好，明暗交界线很明显，等等卡通风格的一系列特征，

也叫Non-photorealisticrendering非真实渲染

重点要做到两点：

1. 描边

2. 着色

另：本片中cg函数均用绿色标明，想了解函数作用和函数内部构成请看这篇文章 NVIDIA CG语言函数之所有数学类函数(Mathematical Functions)

就从最初的描边开始

首先声明变量
_Outline挤出描边的粗细
_Factor挤出多远

Properties {
		_Color("Main Color",color)=(1,1,1,1)
		_Outline("Thick of Outline",range(0,0.1))=0.02
		_Factor("Factor",range(0,1))=0.5
	}

我们的挤出操作在第一个pass中进行
Cull Front 裁剪了物体的前面（对着相机的），把背面挤出
ZWrite On 像素的深度写入深度缓冲，如果关闭的话，物体与物体交叠处将不会被描边，因为此处无z值后渲染的物体会把此处挤出的描边“盖住”

在处理顶点的函数vert中把点挤出

dir=normalize(v.vertex.xyz);
建立一个float3方向变量dir
把该点的位置作为距离几何中心的方向的单位向量

float3 dir2=v.normal;
建立一个float3方向变量dir
dir2为法线方向

D=dot(dir,dir2);
D为计算该点位置朝向和法线方向的点积，通过正负值可以确定是指向还是背离几何中心的，正为背离，负为指向

dir=dir*sign(D);
乘上正负值，真正的方向值

dir=dir*_Factor+dir2*(1-_Factor);
把该点位置朝向与法线方向按外部变量_Factor的比重混合，来控制挤出多远

v.vertex.xyz+=dir*_Outline;
把物体背面的点向外挤出

		v2f vert (appdata_full v) {
			v2f o;
			float3 dir=normalize(v.vertex.xyz);
			float3 dir2=v.normal;
			float D=dot(dir,dir2);
			dir=dir*sign(D);
			dir=dir*_Factor+dir2*(1-_Factor);
			v.vertex.xyz+=dir*_Outline;
			o.pos=mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
			return o;
		}

顶点函数结束，
接下来为描边上色
在frag函数中

挤出轮廓的颜色，此处颜色随意

效果如下：

清楚地描出了轮廓，可以在材质中改变_Outline的值来改变粗细

描边shader如下：

Shader "Tut/Shader/Toon/miaobian" {
Properties {
		_Color("Main Color",color)=(1,1,1,1)
		_Outline("Thick of Outline",range(0,0.1))=0.02
		_Factor("Factor",range(0,1))=0.5
	}
	SubShader {
		pass{
		Tags{"LightMode"="Always"}
		Cull Front
		ZWrite On
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#include "UnityCG.cginc"
		float _Outline;
		float _Factor;
		float4 _Color;
		struct v2f {
			float4 pos:SV_POSITION;
		};

		v2f vert (appdata_full v) {
			v2f o;
			float3 dir=normalize(v.vertex.xyz);
			float3 dir2=v.normal;
			float D=dot(dir,dir2);
			dir=dir*sign(D);
			dir=dir*_Factor+dir2*(1-_Factor);
			v.vertex.xyz+=dir*_Outline;
			o.pos=mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
			return o;
		}
		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			float4 c = _Color / 5;
			return c;
		}
		ENDCG
		}
		pass{
		Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
		Cull Back
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#include "UnityCG.cginc"

		float4 _LightColor0;
		float4 _Color;
		float _Steps;
		float _ToonEffect;

		struct v2f {
			float4 pos:SV_POSITION;
			float3 lightDir:TEXCOORD0;
			float3 viewDir:TEXCOORD1;
			float3 normal:TEXCOORD2;
		};

		v2f vert (appdata_full v) {
			v2f o;
			o.pos=mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
			o.normal=v.normal;
			o.lightDir=ObjSpaceLightDir(v.vertex);
			o.viewDir=ObjSpaceViewDir(v.vertex);

			return o;
		}
		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			float4 c=1;
			float3 N=normalize(i.normal);
			float3 viewDir=normalize(i.viewDir);
			float3 lightDir=normalize(i.lightDir);
			float diff=max(0,dot(N,i.lightDir));
			diff=(diff+1)/2;
			diff=smoothstep(0,1,diff);
			c=_Color*_LightColor0*(diff);
			return c;
		}
		ENDCG
		}//
	} 
}

开始卡通着色旅程

描边之后就是重头戏着色了

简单的举几个例子

说明一下卡通着色

把diffuse漫反射颜色变成了很明显的几个色阶（本例为四个）

普通的diffuse漫反射龙，没有色阶层，颜色过渡的很好，没有卡通的感觉

普通的漫反射材质

上图的可爱的大河酱就是由二阶颜色着色而成，再加上边缘黑色的描边，这个是真正的卡通，不是渲染出来的= =

《深渊传说》是传说系列的早期作品之一，用的也是卡通渲染

感觉大部分都是卡通式纹理贴图在出力

《仙乐传说》的战斗结束画面

有明显的明暗交界线（两个色阶），并随摄像头（view direction）的变化而变化，人物有明显的描边处理，卡通着色起了很大作用

《无尽传说2》，是传说系列比较近的作品，画面明显比前做好了许多，但万变不离其宗，还是用的卡通着色，（= =没玩过这作）

人物有着明显的描边处理

另外我感觉泛光的效果很好啊，应该是bloom或者是hdr之类的，跑题了= =

开始动手操刀卡通着色

第一个pass就是上面的描边pass

对漫反射的卡通着色在第二个pass中

先声明变量
_Color物体的颜色
_Outline挤出描边的粗细
_Factor挤出多远
_ToonEffect卡通化程度（二次元与三次元的交界线）
_Steps色阶层数

	Properties {
		_Color("Main Color",color)=(1,1,1,1)//物体的颜色
		_Outline("Thick of Outline",range(0,0.1))=0.02//挤出描边的粗细
		_Factor("Factor",range(0,1))=0.5//挤出多远
		_ToonEffect("Toon Effect",range(0,1))=0.5//卡通化程度（二次元与三次元的交界线）
		_Steps("Steps of toon",range(0,9))=3//色阶层数
	}

卡通着色主要在着色函数frag中进行
float diff=max(0,dot(N,i.lightDir));
求出正常的漫反射颜色

diff=(diff+1)/2;
做亮化处理

diff=smoothstep(0,1,diff);
使颜色平滑的在[0,1]范围之内

float toon=floor(diff*_Steps)/_Steps;
把颜色做离散化处理，把diffuse颜色限制在_Steps种（_Steps阶颜色），简化颜色，这样的处理使色阶间能平滑的显示

diff=lerp(diff,toon,_ToonEffect);
根据外部我们可控的卡通化程度值_ToonEffect，调节卡通与现实的比重

c=_Color*_LightColor0*(diff);
把最终颜色混合

第二个pass结束，

		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			float4 c=1;
			float3 N=normalize(i.normal);
			float3 viewDir=normalize(i.viewDir);
			float3 lightDir=normalize(i.lightDir);
			float diff=max(0,dot(N,i.lightDir));//求出正常的漫反射颜色
			diff=(diff+1)/2;//做亮化处理
			diff=smoothstep(0,1,diff);//使颜色平滑的在[0,1]范围之内
			float toon=floor(diff*_Steps)/_Steps;//把颜色做离散化处理，把diffuse颜色限制在_Steps种（_Steps阶颜色），简化颜色，这样的处理使色阶间能平滑的显示
			diff=lerp(diff,toon,_ToonEffect);//根据外部我们可控的卡通化程度值_ToonEffect，调节卡通与现实的比重

			c=_Color*_LightColor0*(diff);//把最终颜色混合
			return c;
		}

第三个pass就是在第二个pass的基础之上加上离散化的高光

建立float变量dist为求出距离光源的距离float

float atten=1/(dist);
根据距光源的距离求出衰减；

漫反射部分与第二个pass相同；

half3 h = normalize (lightDir + viewDir);
求出半角向量

float nh = max (0, dot (N, h));
float spec = pow (nh, 32.0);
求出正常情况下的高光强度

float toonSpec=floor(spec*atten*2)/ 2;
把高光也离散化

spec=lerp(spec,toonSpec,_ToonEffect);
调节卡通与现实高光的比重

		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			float4 c=1;
			float3 N=normalize(i.normal);
			float3 viewDir=normalize(i.viewDir);
			float dist=length(i.lightDir);//求出距离光源的距离
			float3 lightDir=normalize(i.lightDir);
			float diff=max(0,dot(N,i.lightDir));
			diff=(diff+1)/2;
			diff=smoothstep(0,1,diff);
			float atten=1/(dist);//根据距光源的距离求出衰减
			float toon=floor(diff*atten*_Steps)/_Steps;
			diff=lerp(diff,toon,_ToonEffect);

			half3 h = normalize (lightDir + viewDir);//求出半角向量
			float nh = max (0, dot (N, h));
			float spec = pow (nh, 32.0);//求出高光强度
			float toonSpec=floor(spec*atten*2)/ 2;//把高光也离散化
			spec=lerp(spec,toonSpec,_ToonEffect);//调节卡通与现实高光的比重

			
			c=_Color*_LightColor0*(diff+spec);//求出最终颜色
			return c;
		}

就可以得到这种卡通效果：

shader如下：

Shader "Tut/Shader/Toon/toon" {
	Properties {
		_Color("Main Color",color)=(1,1,1,1)//物体的颜色
		_Outline("Thick of Outline",range(0,0.1))=0.02//挤出描边的粗细
		_Factor("Factor",range(0,1))=0.5//挤出多远
		_ToonEffect("Toon Effect",range(0,1))=0.5//卡通化程度（二次元与三次元的交界线）
		_Steps("Steps of toon",range(0,9))=3//色阶层数
	}
	SubShader {
		pass{//处理光照前的pass渲染
		Tags{"LightMode"="Always"}
		Cull Front
		ZWrite On
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#include "UnityCG.cginc"
		float _Outline;
		float _Factor;
		struct v2f {
			float4 pos:SV_POSITION;
		};

		v2f vert (appdata_full v) {
			v2f o;
			float3 dir=normalize(v.vertex.xyz);
			float3 dir2=v.normal;
			float D=dot(dir,dir2);
			dir=dir*sign(D);
			dir=dir*_Factor+dir2*(1-_Factor);
			v.vertex.xyz+=dir*_Outline;
			o.pos=mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
			return o;
		}
		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			float4 c=0;
			return c;
		}
		ENDCG
		}//end of pass
		pass{//平行光的的pass渲染
		Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
		Cull Back
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#include "UnityCG.cginc"

		float4 _LightColor0;
		float4 _Color;
		float _Steps;
		float _ToonEffect;

		struct v2f {
			float4 pos:SV_POSITION;
			float3 lightDir:TEXCOORD0;
			float3 viewDir:TEXCOORD1;
			float3 normal:TEXCOORD2;
		};

		v2f vert (appdata_full v) {
			v2f o;
			o.pos=mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);//切换到世界坐标
			o.normal=v.normal;
			o.lightDir=ObjSpaceLightDir(v.vertex);
			o.viewDir=ObjSpaceViewDir(v.vertex);

			return o;
		}
		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			float4 c=1;
			float3 N=normalize(i.normal);
			float3 viewDir=normalize(i.viewDir);
			float3 lightDir=normalize(i.lightDir);
			float diff=max(0,dot(N,i.lightDir));//求出正常的漫反射颜色
			diff=(diff+1)/2;//做亮化处理
			diff=smoothstep(0,1,diff);//使颜色平滑的在[0,1]范围之内
			float toon=floor(diff*_Steps)/_Steps;//把颜色做离散化处理，把diffuse颜色限制在_Steps种（_Steps阶颜色），简化颜色，这样的处理使色阶间能平滑的显示
			diff=lerp(diff,toon,_ToonEffect);//根据外部我们可控的卡通化程度值_ToonEffect，调节卡通与现实的比重

			c=_Color*_LightColor0*(diff);//把最终颜色混合
			return c;
		}
		ENDCG
		}//
		pass{//附加点光源的pass渲染
		Tags{"LightMode"="ForwardAdd"}
		Blend One One
		Cull Back
		ZWrite Off
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag
		#include "UnityCG.cginc"

		float4 _LightColor0;
		float4 _Color;
		float _Steps;
		float _ToonEffect;

		struct v2f {
			float4 pos:SV_POSITION;
			float3 lightDir:TEXCOORD0;
			float3 viewDir:TEXCOORD1;
			float3 normal:TEXCOORD2;
		};

		v2f vert (appdata_full v) {
			v2f o;
			o.pos=mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
			o.normal=v.normal;
			o.viewDir=ObjSpaceViewDir(v.vertex);
			o.lightDir=_WorldSpaceLightPos0-v.vertex;

			return o;
		}
		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			float4 c=1;
			float3 N=normalize(i.normal);
			float3 viewDir=normalize(i.viewDir);
			float dist=length(i.lightDir);//求出距离光源的距离
			float3 lightDir=normalize(i.lightDir);
			float diff=max(0,dot(N,i.lightDir));
			diff=(diff+1)/2;
			diff=smoothstep(0,1,diff);
			float atten=1/(dist);//根据距光源的距离求出衰减
			float toon=floor(diff*atten*_Steps)/_Steps;
			diff=lerp(diff,toon,_ToonEffect);

			half3 h = normalize (lightDir + viewDir);//求出半角向量
			float nh = max (0, dot (N, h));
			float spec = pow (nh, 32.0);//求出高光强度
			float toonSpec=floor(spec*atten*2)/ 2;//把高光也离散化
			spec=lerp(spec,toonSpec,_ToonEffect);//调节卡通与现实高光的比重

			
			c=_Color*_LightColor0*(diff+spec);//求出最终颜色
			return c;
		}
		ENDCG
		}//
	} 
}

这样已经能做出很好的卡通效果了，各位可以在此基础上研制加强版

加强版1：

加上了边缘光Rim

漂亮的水蓝色星球（= =；纹理）

就是在第二个pass中加上rim值

添加的外部变量;

_RimPower边缘光亮度程度

_ToonRimStep边缘光色阶数

在frag函数中
float rim = 1.0 - saturate(dot(N, normalize (viewDir)));
求出正常的边缘光程度

rim = rim+1;
使之加亮

rim = pow(rim, _RimPower);
外部变量_RimPower控制边缘光亮度大小

float toonRim = floor(rim * _ToonRimStep) / _ToonRimStep;
再对边缘光进行离散化

rim = lerp(rim, toonRim, _ToonEffect);
调节卡通与现实的比重

c=_Color*_LightColor0*(diff) * rim * mc*2;

进行最终颜色混合

		float4 frag(v2f i):COLOR
		{
			half4 mc = tex2D (_MainTex, i.uv_MainTex);
			float4 c=1;
			float3 N=normalize(i.normal);
			float3 viewDir=normalize(i.viewDir);
			float3 lightDir=normalize(i.lightDir);
			float diff=max(0,dot(N,i.lightDir));
			diff=(diff+1)/2;
			diff=smoothstep(0,1,diff);
			float toon=floor(diff*_Steps)/_Steps;
			diff=lerp(diff,toon,_ToonEffect);
			float rim = 1.0 - saturate(dot(N, normalize (viewDir)));//求出正常的边缘光程度
			rim = rim+1;//使之加亮
			rim = pow(rim, _RimPower);//外部变量_RimPower控制边缘光亮度大小
			float toonRim = floor(rim * _ToonRimStep) / _ToonRimStep;//再对边缘光进行离散化
			rim = lerp(rim, toonRim, _ToonEffect);//调节卡通与现实的比重
			c=_Color*_LightColor0*(diff) * rim * mc*2;//进行最终颜色混合
			return c;
		}