【Unity】Unity自带卡通shader（toon shader）分析（一）

Unity Standard Assets中自带4个卡通相关的shader，可以通过导入Effects Package导入：

然后我们可以在Assets->Standard Assets/Effects/ToonShading/Shaders中找到这四个shader

首先来看一下ToonBasic这个shader，我从asset store上下载了一个名叫Tiger的免费模型，下面就用这个模型来做实验。下图是刚放进场景的prefab：

然后我们使用ToonBasic替换Tiger身上的原材质，效果如下：

可以发现，ToonBasic并没有描边，但是模型的色彩产生了明显的变化，色块之间的边界更为明显了。

ToonBasic的代码如下所示：

// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

Shader "Toon/Basic" {
    Properties {
        _Color ("Main Color", Color) = (.5,.5,.5,1)
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _ToonShade ("ToonShader Cubemap(RGB)", CUBE) = "" { }
    }


    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        Pass {
            Name "BASE"
            Cull Off

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"

            sampler2D _MainTex;
            samplerCUBE _ToonShade;
            float4 _MainTex_ST;
            float4 _Color;

            struct appdata {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 texcoord : TEXCOORD0;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float2 texcoord : TEXCOORD0;
                float3 cubenormal : TEXCOORD1;
                UNITY_FOG_COORDS(2)
            };

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos (v.vertex);
                o.texcoord = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
                o.cubenormal = mul (UNITY_MATRIX_MV, float4(v.normal,0));
                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = _Color * tex2D(_MainTex, i.texcoord);
                fixed4 cube = texCUBE(_ToonShade, i.cubenormal);
                fixed4 c = fixed4(2.0f * cube.rgb * col.rgb, col.a);
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, c);
                return c;
            }
            ENDCG           
        }
    } 

    Fallback "VertexLit"
}

在这里先忽略雾效相关代码，我们发现，该材质需要两个贴图，一张老虎原来的贴图和一张控制色彩变化的cubemap贴图，分别对应
_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
_ToonShade ("ToonShader Cubemap(RGB)", CUBE) = "" { }：

然后让我们来看一下顶点函数：

v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos (v.vertex);                   -- 将顶点从模型空间转化到裁剪空间
                o.texcoord = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);          -- 获取贴图uv
                o.cubenormal = mul (UNITY_MATRIX_MV, float4(v.normal,0));  -- 获取控制toon的cubemap的法线
                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos);
                return o;
            }

然后是片元函数：

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = _Color * tex2D(_MainTex, i.texcoord);       -- 获取2D贴图上对应uv处的颜色
                fixed4 cube = texCUBE(_ToonShade, i.cubenormal);         -- 获取cubemap上对应的颜色（控制颜色块）
                fixed4 c = fixed4(2.0f * cube.rgb * col.rgb, col.a);     -- 用2倍的toon控制色乘上源颜色
                UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, c);
                return c;
            }

可以得出结论，ToonBasic的原理其实就是用一个cubemap来控制色彩边界的变化，使色彩块之间有明显的界限。