如何在Unity中实现非真实感渲染

原创 2017-03-01 马瑞 Unity官方平台

《Twin Souls: Path of the Shadows》是一款游戏性很强，且具有优质卡通渲染效果的端游，本文将由Unity大中华区技术经理马瑞，为大家分享如何使用Unity的渲染管道来实现像《Twin Souls: Path of the Shadows》一样的卡通渲染的效果。

卡通渲染的原理

卡通渲染是一种非真实感渲染，也叫作Cel Shading或Toon Shading，旨在通过使用较少的阴影颜色，而非阴影梯度或色调及阴影，使3D计算机图形显得平坦。

上图中，从左至右分别是Diffuse着色器，Cel Shading和有三个阈的Cel Shading。我们认为一个像素接收的光量是光方向和表面法线之间的点积(NdotL)。如果将此值取整为0或者1，或者定义不同的“等级”或“阈”，将导致不同的卡通渲染样式。在最简单的卡通渲染中，如果点积大于零，则将像素设置为点亮，如果点积小于零，则将像素设置为阴影。

实现方法

此效果可以根据您的渲染路径(Rendering Path)以不同的方式实现。渲染路径(Rendering Path)可以在相机的检视面板(Inspector)中设置。下面我们介绍一下正向渲染和延迟渲染，如果您对它们的具体实现代码感兴趣请点击【阅读原文】查看。

正向渲染

如果您的场景不使用多光源，正向渲染(Forward Rendering)是一个不错的选择。因为在这种模式下，渲染引擎会遍历所有光源的每个顶点和像素，可能会带来较大负担。然而，如果您的场景只有几个或甚至一个光源，这个解决方案是非常轻量级的。具体实施的时候，您可以创建一个新的表面着色器(surface shader)，您通过下面的代码，让边缘平滑。

NdotL = smoothstep(0, 0.025f, NdotL);

延迟渲染

延迟渲染(Deferred Rendering)的优点是它在多光源的场景中可以表现出很好的性能。当使用延迟渲染(Deferred Rendering)时，引擎会遍历场景中的每个光源，并将其与场景中的几何信息一起存储在缓冲区中。要改变延迟渲染(Deferred Rendering)管道，我们需要从Unity网站上下载内置着色器包。

接下来，对下载好的文件进行解压缩，在“DefaultResourcesExtra”文件夹中找到“Internal-DeferredShading.shader”，并将此文件复制到项目中的Resources文件夹。因为自从最初的解决方案发布以来，Unity进行了很多更新，所以我们还需要做以下步骤：

在解压缩的文件夹中找到UnityStandardBRDF.cginc和UnityDeprecated.cginc，并将它们移动到项目中的Resources文件夹。
将UnityDeprecated.cginc重命名为UnityDeprecatedEx.cginc，并使用以下代码替换整个代码，以便添加CustomLambertTerm 。

inline half CustomDotClamped ( half3 a, half3 b )
{
    #if (SHADER_TARGET < 30)
    return saturate(dot(a,b));
    #else
    return max(0.0h, dot(a,b));
    #endif
}

inline half CustomLambertTerm ( half3 normal, half3 lightDir )
{
  return smoothstep(0.0,0.05f, CustomDotClamped (normal, lightDir));
}

将UnityStandardBRDF.cginc重命名为UnityStandardBRDFCustom.cginc，删除其中的整个代码，并用BRDF_1_Unity_PBS方法的自定义实现替换它。它被重命名为BRDF_CUSTOM_Unity_PBS且使用我们的CustomLambertTerm。
在导入的Internal-DeferredShading.shader中，使用UnityStandardBRDFCustom.cginc中定义的自定义宏重写UNITY_BRDF_PBS函数宏：

#define UNITY_BRDF_PBS BRDF_CUSTOM_Unity_PBS

在着色器中包含UnityStandardBRDF.cginc和UnityStandardBRDFCustom.cginc：

#include "UnityStandardBRDF.cginc"
#include "UnityStandardBRDFCustom.cginc"

由于UNITY_BRDF_PBS函数完全被覆盖，因此可以从Internal-DeferredShading.shader中删除UnityPBSLighting.cginc。
在着色器中添加以下行：

if (light.ndotl <= 0.0)
             light.ndotl = 0;
            else
             light.ndotl = 1;

最后，当所有这些步骤完成后，我们的Internal-DeferredShading.shader就大功告成了！然后，我们可以用新创建的着色器替换Deffered着色器：到Edit - > ProjectSettings - > Graphics。在Deferred中，选择我们要修改的文件。

之后，确保您的相机正在使用所需的渲染路径(延迟的Deferred)，现在您应该注意标准着色器(Standard Shader)已经应用了卡通渲染，如下图所示。

边缘

许多游戏使用卡通渲染对物体(Object)勾画轮廓，这样场景会有漫画一般的视觉效果。这种效果可以用许多不同的方式实现。轮廓可以是纹理的一部分，着色器可以检查表面法线和视角之间的点积，或者可以在后处理中完成。最简单的解决方案是在您的相机中添加Edge Detection效果：

点击Assets->Import Package->Effects，导入Standard Assets Effects包
在层级结构(Hierarchy)中选择您的摄像机，然后在检视面板(Inspector)中点击 Add Component->Image Effects->Edge Detection->Edge Detection

突出边缘的效果如下图所示。

最终效果

在本文中，我们借助对《Twin Souls: The Path of Shadows》进行卡通渲染的解决方案，更改Unity的渲染管道以实现卡通风格。最终，几乎没有使用其他添加，我们实现了类似的独特风格，如下图所示。

总结

非真实渲染技术非常有用，因为它不会替换整个照明模型，只是将现有的模型表面显示为点亮或阴影。它可以与图像效果完美融合，也可以在没有额外性能开销的情况下允许您使用完整的PBR容量。如果您想了解更多有关的技术文章，请访问Unity官方中文社区(forum.china.unity3d.com)。

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