卡通渲染

卡通渲染

卡通渲染也叫做Toon-Shading或Cel-Shading，属于非真实感渲染（Non-PhotorealisticRender）的一种。

卡通风格是游戏中很常见的一种渲染风格，使用这种风格的游戏画面有一些比较明显的共同特征，比如明显的描边线条，分明的明暗变化，简单的大色块等。

卡通渲染不同于真实感渲染，它不追求真实。

卡通渲染就是使模型呈现卡通风格的一些渲染方法。

它区别于普通渲染的主要有以下两点：

1、光照模型

在一般渲染中使用的大多是模拟真实世界中的光照的模型，比如使用简单的数学公式来模拟的几种常见经验模型：

1）能够较好表现粗糙表面的漫反射Lambert光照模型。

2）能够较好表现金属材质的镜面反射Phong光照模型。

3）融合了前两种模型优点的Blinn-Phong光照模型，它也是最为广泛使用的光照模型，是很多CG软件默认的光照渲染方法，因此也被称为标准光照模型。更加高级的还有基于物理的光照模型。它们都是尽力使得渲染结果更加贴近现实。

在卡通渲染中，不能再直接使用以上光照模型，为了使渲染结果能够呈现卡通效果，通常需要对光照模型进行一些处理，来得到离散的明暗区域效果。

例如，卡通风格的高光往往是模型上的一块快分界明显的纯色区域，以标准光照模型为例，在标准光照模型中，使用法线点乘光照方向以及视角方向来得到高光反射系数，于卡通渲染来说，可以同样适用这种方式来得到高光反射系数，但不同的是，需要把该值与一个阙值相比较，比如如果小于该阙值，则高光反射系数为0，反之为1。而且，卡通渲染中高光往往有很多个性化的需求，比如可以伸缩、可以方块化等等。

2、轮廓线

轮廓线的提取是卡通渲染很重要的部分。有许多绘制模型轮廓的方法。它们可以分为以下类型：

1）简单快速，使用视角方向和表面法线点乘结果来得到轮廓线信息，能够在一个pass中得到渲染结果的，基于观察角度和表面法线的轮廓渲染。

2）快速有效，使用两个pass先后渲染背面与正面面片，过程式几何轮廓线渲染。

3）基于图像处理的轮廓线渲染。

4）基于轮廓边检测的轮廓渲染。

下面是一个最简单的卡通渲染流程：

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1、使用一个pass把一个模型渲染到一张纹理图上（Render to Texture）。

2、用第二个pass对这张图进行边缘检测（可使用sobel边缘检测算法），找出边界并把它渲染到屏幕空间中。

3、为了实现卡通着色，创建一个带强度级别的灰度纹理，来达到卡通绘图中的离散阴影效果。

4、在顶点着色器中，通过光线方向与法向量的点积来确定顶点接受光线的多少。将结果规范化到[0,1]之间，来在纹理坐标空间中取值。

Unity-Chan

Unity-Chan是UnityTechnologies日本团队官方发布的一个开源二次元卡通渲染方案和素材组。

它也代表Unity娘——对Unity的拟人化，是最初UnityTechnologies Japan为吸引日本地区ACG爱好者使用Unity进行创作而特别设计的角色。

这里主要来看一下它的Shader部分：

如图，Unity-Chan的Shader很简单，分为眼睛、头发、衣服（fuku）、皮肤（hada）、面颊（akarami）

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Unity-Chan2

这是Unity日本推出的全新的Unity-Chan素材组，相比于一代，它的内容丰富了很多倍。

它的Shader部分如图，相比于一代庞大了非常多。新增了后处理、曲面细分着色器、针对移动平台的优化等等。

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