Unity Toon Shader II

ASE及CelShader概述

理论知识来源：西川善司の「試験に出るゲームグラフィックス」

原文章传送门——>科学上网

一、ASE编辑器基础

ASE(Amplify Shader Editor)：节点材质编辑器拥有可视化脚本节点，使得着色器编辑更加直观，但会产生大量冗余代码，并不是最优的shader解决方案(官方自带的Shader Graph插件与之类似，用哪一个看个人习惯)

1.输出节点

节点
- Albedo 漫反射贴图
- Normal 法线贴图
- Emission 自发光贴图
- Metallic 金属度，为0时可以认为是非金属，为1时可以认为是金属
- Smoothness 平滑度，与Metallic配合模拟金属材质
- Ambient Occlusion AO贴图，环境闭塞
- Transmission 透射
- Translucency 透明度，与Transmission配合模拟次表面反射
- Refraction 反射
- Opadty 不透明度 Opadty Mask 不透明度遮罩
- Custom Lighting 自定义光照
- Vertex Offset 顶点偏移,可用于外描边
- Vertex Normal 顶点法线
- Tessellation 曲面细分
参数面板
- Shader Name 着色器名称，与shader的文件名称不同
- Precision 精度
- Cull Mode 剔除模式
- Render Path 前向渲染/延时渲染
- Cast Shadows 投射阴影
- Receive Shadows 接受阴影
- Queue Index 渲染队列索引
- Fallback 回滚
- Render Type 渲染类型
- Render Queue 渲染队列

二、卡通材质概述

1.概述

主要由三种纹理组成：
- MainTex：也就是diffuse纹理，一般填充纯色
- SSSTex：用于控制暗面颜色的贴图
- LimTex光照贴图：控制明暗和高光效果，通过rgb三通道来控制光照效果
光照贴图R通道：LimTex.r，r通道控制光照强度，越白的地方高光越亮，高光越亮
$$
LimTex.r \times SpecMulti \times SpecColor
$$
- SpeMulti(高光强度控制)
- SpecColor(高光颜色控制)
- 以上两者都是自定义的材质面板属性
光照贴图G通道：LimTex.g，g通道控制阴影，以0.5为分界，rgb灰度值为128，大于该阈值的越容易成为亮部，小于该阈值的越容易成为阴影
$$
LimTex.g \times VertexColor.r
$$
- VertexColor.r(顶点颜色r通道)
光照贴图B通道：LimTex.b,b通道控制高光范围，越白的地方高光范围越大
判断条件为：$Blinn-PhoneSpecular + LimTex.b > 1.0$
尽量利用贴图的空闲通道，例如MainTex的alpha通道或是LimTex的alpha通道，来做透贴、自发光、内描边
顶点色
- R通道：绘制阴影，颜色越黑越容易成为阴影
- G通道：对应到摄像机的距离，轮廓线粗细的变化系数，可以通过G通道实现随着摄像机的远近变化，模型不同部位的轮廓线产生不同的粗细变化
- B通道：摄像机的Z-Offset深度偏移，消除多余的描边，例如头发
- A通道：轮廓线的粗细
最终颜色由明暗反射颜色+高光颜色+自发光颜色+边缘光颜色，其中明暗反射颜色由亮部+第一层阴影+第二层固定阴影组成

2.明暗反射颜色

注册halfLambert本地变量

$$
C_{diffuse} = (C_{light} * M_{diffuse})(0.5 * (N * L) + 0.5)
$$
计算得到结果后额外乘以Light Attenuation(光线衰减)并注册本地变量halfLambert
注册ShadowMask本地变量

即$LimTex.g \times VertexColor.r$
亮部、第一层阴影颜色、第二层阴影颜色
- 亮部即$MainTex \times MainColor$
- 第一层阴影即$MainTex \times SSSTex \times FirstShadowColor$
- 第二层阴影即在第一层阴影基础上乘以$SecondShadowColor$
非固定阴影选择：亮部或第一层阴影
- 亮部：$LimTex.g \times VertexColor.r > 0.5 \rightarrow LimTex.g \times VertexColor.r \times (1.2 - 0.1)$
- 第一层阴影：$LimTex.g \times VertexColor.r <=0.5 \rightarrow LimTex.g \times VertexColor.r \times (1.25 - 0.125)$
- Lerp函数A口接第一层阴影颜色，B口接亮部
- 注册RemapMask本地变量(用于ShadowMask重映射)
固定阴影选择：第一层阴影或第二层阴影
- Lerp函数A口接第二层阴影，B口接第一层阴影
- halfLambert与RemapMask相加后乘以0.5是因为原值范围均为0-1，乘以0.5可以将相加后的值重新限定在0-1
固定阴影与非固定阴影选择：
- $LimTex.g \times VertexColor.r > 0.1$为非固定阴影
- $LimTex.g \times VertexColor.r <= 0.1$则为固定阴影
- Lerp函数A口为固定阴影，B口为非固定阴影

3.高光(Specular)

这里依旧使用Blinn-Phone模型
$$
H = \frac{V + L}{|V+L|}
\\
C_{specular} = (C_{light} * M_{specular})max(0,N*H)^{M_{gloss}}
$$
光照贴图R通道控制光照强度：LimTex.r，r通道控制光照强度，越白的地方高光越亮，高光越亮
$$
LimTex.r \times SpecMulti \times SpecColor
$$
光照贴图B通道：LimTex.b,b通道控制高光范围，越白的地方高光范围越大
判断条件为：$Blinn-Phone-Specular + LimTex.b > 1.0$
ASE节点如下：
- OneMinus函数=1-x
- A口接光照贴图R通道
- B口接光照贴图高光，通过光照贴图B通道控制高光范围
- C口接高光颜色
- D口接高光强度参数

4.边缘光(Rim)

类似菲涅尔反射，视线与物体越边缘的地方光的反射越强
简化公式：
$$
Rim = pow(1-max(0,dot(V,N)),RimScale)
$$
ASE节点如下：
- 注意RimScale作为指数不能为0
- 使用Toggle Switch将Rim视为一个开关
  - ln0口接高光+阴影
  - ln1口接高光+阴影+Rim

5.外描边(OutLine)

描边的几种做法
- 边缘光伪描边，在一个PASS中完成渲染，快速简单，但效果差强人意
- 几何轮廓线渲染，沿顶点法线方向向外扩展，需要两个PASS，第一个渲染模型背面，第二个渲染模型正面，适用于大多数光滑物体，对于立方体这类不连续的表面会出现断边现象(优化：修改模型顶点法线，平均计算法线并把法线转换到切线空间，存入顶点色中，过程较为复杂)
- 图像后处理，边缘检测
ASE节点如下：
- 最后连接到输出节点的Local Vertex Offset口

6.自发光

后处理：
- 进入U3D包管理器，安装Post Processing
- 创建Post-processing Profile
- 为摄像机创建一个post process层，并添加一个Post-process Layer组件，组件的Layer选择为刚创建的post procsee
- 将模型的层选择为post process，并添加Post-process Volume组件，选择之前创建的Post-processing Profile，勾选Is Global，权重设置为1
- 点击Add effect添加Bloom效果
- 调整Intensity,Threshold到想要的效果
自发光信息存于MainTex的alpha通道中，最后计算得到的自发光与阴影高光叠加在一起即可。ASE节点如下：