卡通风格的渲染【Unity Shader入门精要14.1】

卡通渲染的方法之一：基于色调的着色技术（tone-based shading）。P288

实现中，我们往往会使用 漫反射系数 对一张一维纹理进行采样，以控制漫反射的色调 。（7.3节中用渐变纹理实现过这种效果）

卡通风格的高光往往是一块分界明显的纯色区域。

除了光照模型不同外，卡通风格通常还需要在物体边缘部分绘制轮廓，本节使用基于模型的描边方法。

14.1.1渲染轮廓线

在实时渲染中，轮廓线的渲染是应用非常广泛的一种效果，在《Real Time Rendering,3rd》一书中，作者把这些方法分成了5种类型：

1. 基于观察角度和表面法线的轮廓渲染：适应视角方向和表面法线的点乘结果来得到轮廓线的信息。这种方法简单快捷，可以在一个Pass中就得到渲染结果，但局限性很大，很多模型渲染出来的描边效果都不尽如人意。
2. 过程式几何轮廓线渲染：核心是使用两个Pass渲染，第一个渲染背面的面片，并使用某些技术让他的轮廓可见，第二个Pass再正常渲染正面的面片。这种方法的优点在于快速有效，并适应于绝大多数表面平滑的模型，但缺点是不适合类似立方体这样平的模型。          （本节使用这种，第一个Pass使用轮廓线颜色渲染整个背面的面片，并在视角空间下把模型顶点沿着法线方向向外扩张一段距离，以此来让背面的轮廓可见

   viewPos = viewPos + viewNormal*_Outline;

   但是，如果直接使用顶点法线进行扩展，对于一些内凹的模型，就可能发生背面面片遮挡正面面片的情况。为了尽可能防止出现这样的情况，在扩展背面顶点之前，我们首先对顶点法线的Z分量进行处理，使他们等于一个值，然后把法线归一化后再对顶点进行扩张，这样的好处在于，扩展后的背面更加扁平化，从而降低了遮挡正面面片的可能性

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

   ）
3. 基于图像处理的轮廓线渲染：边缘检测方法就属于这种类型，优点在于可以适用于任何类型的模型。但也有自身的局限所在，一些深度和法线变化很微小的轮廓无法被检出来，如桌子上的纸。
4. 基于轮廓边检测的轮廓线渲染：上面提到的方法中一个最大的问题就是无法控制轮廓的风格，想渲染出如水墨风格的轮廓线，为此，需要检测出精准的轮廓边，然后直接渲染他们，检测一条边是否是轮廓边的的公式很简单,只需要检查和这条边相邻的两个三角形是否满足下面的条件：   其中，n0和n1分别表示两个相邻的三角形面片的法向，v是从视角到该边上任意顶点的方向。上诉公式的本质在于检查两个相邻的三角面片是否是一个朝正面，一个朝背面。我们可以在几何着色器（Geometry Sahder）的帮助下实现上面的检测过程，当然，这种方法的缺点除了实现相对复杂外，还有动画连贯性的问题，也就是说由于是逐帧单独提取轮廓，所以在帧与帧之间会出现跳跃性。
5. 混合上述的几种渲染：例如，首先找到精准的 轮廓边，把模型和轮廓边渲染到纹理中，再使用图像处理的方法识别出轮廓线，并在图像空间下进行风格化渲染。

14.1.2 添加高光

对于卡通渲染的高光反射光照模式，需要计算normal和halfDir的点乘结果，把该值和一个阀值进行比较，如果小于阀值，则高光反射系数为0，否则1。

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

CG 的Step函数：（参考值，待比较值）如果第二个大于第一个则返回一。

但是，这种磁暴的判断方法会在高光区域的边界造成锯齿。原因在于高光区域的边缘不是平滑渐变的，而是由0突变到1，想进行抗锯齿处理可以在很小的一块区域内，进行平滑处理

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

CG 的smoothstep函数：w是一个很小的值，当spec-threshould小于-w时返回0，大于w时返回1否则在0到1之间进行插值。

这样的效果是可以在[-w,w]区间内，即高光区域的边界处得到一个从0到1平滑变化的spec值，从而实现抗锯齿的目的。

像素之间的近似导数值用 CG的 fwidth 函数来得到。