小随笔：写一个基于几何生成方法的描边效果

0x00 前言

进入金秋九月之后，周末参加的社区活动反而多了起来。因此不像之前一样有富余的时间来写一些长文了，在考虑写点什么的时候突然想到了上一篇文章《利用GPU实现翻页效果》中利用shader实现了一个有趣的翻书的效果。那么这篇文章不妨也来效仿一下写一个shader来实现某种效果，只不过篇幅上可能更短、效果更简单，当然写作的时间也更碎片化了，所以《小随笔》似乎是一个不错的标题。

0x01 先来点理论知识

本文要实现的内容是一个很常见的描边效果。
（本文的模型来自：RTS Mini Legion Lich）
实现的思路来自《Real Time Rendering》的相关章节，即基于几何生成方法的描边。相关的理论内容已经有不少文章都提到过，这里简单概况一下就是在绘制模型时用两个pass，第一遍正常绘制模型；第二遍绘制则要将模型正面剔除——正面剔除的原因在下面的演示中我会告诉各位原因——接着在vs中修改顶点位置，将顶点沿着法线方向膨胀一定距离，然后在fs中将模型用纯色输出即可。

（图片来自：【翻译】西川善司「实验做出的游戏图形」「GUILTY GEAR Xrd -SIGN-」中实现的「纯卡通动画的实时3D图形」的秘密，前篇（2））

0x02 再来点实际操作

好了，现在就让我们来实现这个效果吧。
首先我们显然总共需要两个pass，但是我们先实现一个pass，将模型正常的绘制出来。

    // 第一个pass用来渲染正常的模型
    Pass
    {
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        
        #include "UnityCG.cginc"

        struct appdata
        {
            float4 vertex : POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
        };

        struct v2f
        {
            float2 uv : TEXCOORD0;
            float4 vertex : SV_POSITION;
        };

        sampler2D _MainTex;
        float4 _MainTex_ST;
        
        v2f vert (appdata v)
        {
            v2f o;
            o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
            return o;
        }
        
        fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
        {
            fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
            return col;
        }
        ENDCG
    

经过这次绘制，屏幕上出现了正常的模型。

OK，下面第二个pass要来了。
由于这次我们需要使用法线信息，所以我们可以直接使用Unity内建的appdata_base作为vs的输入，它包含了顶点的法线信息。而由于这次vs和fs之间并没有数据的传递，因此vs只需要输出位置到SV_POSITION，而fs只需要输出纯色到SV_Target即可。

        float4 vert(appdata_base v) : SV_POSITION
        {
            ...
        }

        fixed4 frag() : SV_Target {
            return _OutlineColor;
        }

除此之外，在vs中我们不能直接使用在model空间的法线信息，因此还要将顶点的法线信息从model空间转换到clip空间。

            float3 normal = mul((float3x3) UNITY_MATRIX_MVP, v.normal);

然后将顶点沿着法线方向膨胀一定距离:

            pos.xy += _OutlineFactor * normal.xy;

嗯。现在的效果有点赞了。

最后再来看看为什么要打开正面剔除，如果没有正面剔除我们将看到的是一个颜色错误的模型。
就像下面这样：

好了，到此一个常见而又简单的效果就实现了。
demo地址：chenjd/Unity-Miscellaneous-Shaders
祝各位早安~

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