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Unity Shader怎么实现卡通素描风格渲染

发布时间：2022-01-11 15:38:07 作者：iii
来源：亿速云 阅读：449

Unity Shader怎么实现卡通素描风格渲染

目录

  1. 引言
  2. 卡通素描风格渲染概述
  3. Unity Shader基础
  4. 实现卡通素描风格渲染的关键技术
  5. Unity Shader实现步骤
  6. 优化与调试
  7. 案例分析与实战
  8. 总结与展望

引言

在游戏开发中，渲染风格的选择对于游戏的视觉表现和玩家体验至关重要。卡通素描风格渲染以其独特的艺术效果，逐渐成为许多游戏开发者的选择。本文将详细介绍如何在Unity中通过Shader实现卡通素描风格渲染，帮助开发者掌握这一技术。

卡通素描风格渲染概述

2.1 卡通渲染的基本概念

卡通渲染（Cel Shading）是一种非真实感渲染技术，旨在模拟手绘卡通的效果。它通过简化光照和阴影，使物体表面呈现出平坦的色彩区域，从而产生类似卡通画的视觉效果。

2.2 素描风格的特点

素描风格渲染则更进一步，模拟了铅笔素描的效果。它通常包括以下几个特点：

Unity Shader基础

3.1 Shader的基本结构

Shader是用于控制物体表面渲染的程序。在Unity中，Shader通常由以下几个部分组成：

3.2 表面着色器与顶点片段着色器

Unity支持两种主要的Shader编写方式：

3.3 ShaderLab语法简介

ShaderLab是Unity中用于编写Shader的专用语言。它结合了Cg/HLSL代码和Unity特有的语法，用于定义Shader的结构和属性。

Shader "Custom/ToonShader" {
    Properties {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Ramp ("Toon Ramp (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Toon

        sampler2D _MainTex;
        sampler2D _Ramp;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }

        fixed4 LightingToon (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten) {
            half NdotL = dot(s.Normal, lightDir);
            NdotL = tex2D(_Ramp, float2(NdotL, 0.5));
            fixed4 c;
            c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL * atten;
            c.a = s.Alpha;
            return c;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

实现卡通素描风格渲染的关键技术

4.1 边缘检测

边缘检测是卡通素描风格渲染的核心技术之一。它通过检测物体表面的法线或深度变化，绘制出物体的轮廓线。

4.1.1 Sobel算子

Sobel算子是一种常用的边缘检测算法。它通过计算像素周围区域的梯度，确定边缘的位置。

float sobel(sampler2D tex, float2 uv, float2 texelSize) {
    float2 offset = texelSize;
    float top = tex2D(tex, uv + float2(0, offset.y)).r;
    float bottom = tex2D(tex, uv - float2(0, offset.y)).r;
    float left = tex2D(tex, uv - float2(offset.x, 0)).r;
    float right = tex2D(tex, uv + float2(offset.x, 0)).r;
    float topLeft = tex2D(tex, uv + float2(-offset.x, offset.y)).r;
    float topRight = tex2D(tex, uv + float2(offset.x, offset.y)).r;
    float bottomLeft = tex2D(tex, uv + float2(-offset.x, -offset.y)).r;
    float bottomRight = tex2D(tex, uv + float2(offset.x, -offset.y)).r;

    float gx = -topLeft - 2 * left - bottomLeft + topRight + 2 * right + bottomRight;
    float gy = -topLeft - 2 * top - topRight + bottomLeft + 2 * bottom + bottomRight;

    return sqrt(gx * gx + gy * gy);
}

4.2 色调分离

色调分离通过将连续的颜色值映射到有限的几个离散值，模拟卡通画中的色块效果。

float3 toonShading(float3 color, int levels) {
    float3 result = floor(color * levels) / levels;
    return result;
}

4.3 素描纹理的应用

素描纹理可以增加渲染效果的手绘质感。通过将素描纹理与物体表面的颜色混合，可以模拟出铅笔素描的效果。

float3 sketchTexture(sampler2D sketchTex, float2 uv, float3 color) {
    float3 sketch = tex2D(sketchTex, uv).rgb;
    return color * sketch;
}

4.4 光照模型

卡通素描风格的光照模型通常简化了光照计算，使用离散的光照强度值。

fixed4 LightingToon(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten) {
    half NdotL = dot(s.Normal, lightDir);
    NdotL = tex2D(_Ramp, float2(NdotL, 0.5));
    fixed4 c;
    c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL * atten;
    c.a = s.Alpha;
    return c;
}

Unity Shader实现步骤

5.1 创建Shader文件

在Unity中创建一个新的Shader文件，命名为ToonSketchShader.shader。

Shader "Custom/ToonSketchShader" {
    Properties {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Ramp ("Toon Ramp (RGB)", 2D) = "white" {}
        _SketchTex ("Sketch Texture (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Toon

        sampler2D _MainTex;
        sampler2D _Ramp;
        sampler2D _SketchTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }

        fixed4 LightingToon (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten) {
            half NdotL = dot(s.Normal, lightDir);
            NdotL = tex2D(_Ramp, float2(NdotL, 0.5));
            fixed4 c;
            c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL * atten;
            c.a = s.Alpha;
            return c;
        }

        float3 applySketchTexture(float2 uv, float3 color) {
            float3 sketch = tex2D(_SketchTex, uv).rgb;
            return color * sketch;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

5.2 编写边缘检测代码

在Shader中添加边缘检测代码，使用Sobel算子检测物体的轮廓线。

float sobel(sampler2D tex, float2 uv, float2 texelSize) {
    float2 offset = texelSize;
    float top = tex2D(tex, uv + float2(0, offset.y)).r;
    float bottom = tex2D(tex, uv - float2(0, offset.y)).r;
    float left = tex2D(tex, uv - float2(offset.x, 0)).r;
    float right = tex2D(tex, uv + float2(offset.x, 0)).r;
    float topLeft = tex2D(tex, uv + float2(-offset.x, offset.y)).r;
    float topRight = tex2D(tex, uv + float2(offset.x, offset.y)).r;
    float bottomLeft = tex2D(tex, uv + float2(-offset.x, -offset.y)).r;
    float bottomRight = tex2D(tex, uv + float2(offset.x, -offset.y)).r;

    float gx = -topLeft - 2 * left - bottomLeft + topRight + 2 * right + bottomRight;
    float gy = -topLeft - 2 * top - topRight + bottomLeft + 2 * bottom + bottomRight;

    return sqrt(gx * gx + gy * gy);
}

5.3 实现色调分离

在Shader中添加色调分离代码，将颜色值映射到离散的色调。

float3 toonShading(float3 color, int levels) {
    float3 result = floor(color * levels) / levels;
    return result;
}

5.4 添加素描纹理

在Shader中添加素描纹理的应用代码，将素描纹理与物体表面的颜色混合。

float3 applySketchTexture(float2 uv, float3 color) {
    float3 sketch = tex2D(_SketchTex, uv).rgb;
    return color * sketch;
}

5.5 调整光照模型

在Shader中调整光照模型，使用离散的光照强度值。

fixed4 LightingToon(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten) {
    half NdotL = dot(s.Normal, lightDir);
    NdotL = tex2D(_Ramp, float2(NdotL, 0.5));
    fixed4 c;
    c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL * atten;
    c.a = s.Alpha;
    return c;
}

优化与调试

6.1 性能优化

在实现卡通素描风格渲染时，性能优化是一个重要的考虑因素。以下是一些常见的优化技巧：

6.2 调试技巧

调试Shader时，可以使用以下技巧：

案例分析与实战

7.1 简单卡通角色渲染

在这个案例中，我们将实现一个简单的卡通角色渲染效果。通过应用边缘检测、色调分离和素描纹理，使角色呈现出卡通素描风格。

Shader "Custom/SimpleToonSketchShader" {
    Properties {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Ramp ("Toon Ramp (RGB)", 2D) = "white" {}
        _SketchTex ("Sketch Texture (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Toon

        sampler2D _MainTex;
        sampler2D _Ramp;
        sampler2D _SketchTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }

        fixed4 LightingToon (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten) {
            half NdotL = dot(s.Normal, lightDir);
            NdotL = tex2D(_Ramp, float2(NdotL, 0.5));
            fixed4 c;
            c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL * atten;
            c.a = s.Alpha;
            return c;
        }

        float3 applySketchTexture(float2 uv, float3 color) {
            float3 sketch = tex2D(_SketchTex, uv).rgb;
            return color * sketch;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

7.2 复杂场景的素描风格渲染

在这个案例中，我们将实现一个复杂场景的素描风格渲染效果。通过结合边缘检测、色调分离和素描纹理，使整个场景呈现出铅笔素描的效果。

Shader "Custom/ComplexToonSketchShader" {
    Properties {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Ramp ("Toon Ramp (RGB)", 2D) = "white" {}
        _SketchTex ("Sketch Texture (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Toon

        sampler2D _MainTex;
        sampler2D _Ramp;
        sampler2D _SketchTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }

        fixed4 LightingToon (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten) {
            half NdotL = dot(s.Normal, lightDir);
            NdotL = tex2D(_Ramp, float2(NdotL, 0.5));
            fixed4 c;
            c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL * atten;
            c.a = s.Alpha;
            return c;
        }

        float3 applySketchTexture(float2 uv, float3 color) {
            float3 sketch = tex2D(_SketchTex, uv).rgb;
            return color * sketch;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

总结与展望

通过本文的介绍，我们详细讲解了如何在Unity中通过Shader实现卡通素描风格渲染。从边缘检测、色调分离到素描纹理的应用，我们逐步实现了这一独特的渲染效果。希望本文能为游戏开发者提供有价值的参考，帮助他们在项目中实现更多创新的视觉效果。

未来，随着图形技术的不断发展，卡通素描风格渲染将会有更多的可能性。例如，结合机器学习技术，自动生成素描纹理；或者通过实时渲染技术，实现更加逼真的手绘效果。期待更多的开发者能够在这一领域进行探索和创新。

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