Unity3D Shader 新手教程(4/6) —— 卡通shader(入门版) (转)

转自:http://www.cnblogs.com/polobymulberry/p/4319866.html

调整_Tooniness可以改变颜色种类数量(或者称为颜色的精度)。一般卡通效果上的人物颜色种类也是很少的,所以此shader也比较符合卡通绘制的习惯。但是此shader不能称作是一个真正的卡通shader。

步骤2 — Toon光照模型

接下来我们实现一个Toon光照模型,此光照模型使光照在模型上有锐利的颜色边缘效果,而不是原模型中的过渡效果。

为了弥补上一节shader中的不足(实现的并不是真正卡通效果),我们在此基础上添加一个变量_ColorMerge,注意此处的_ColorMerge做的其实和上一节的shader中的_Tooniness作用类似,也是为了减少颜色种类。另外在新shader中我们将_Tooniness用于Toon光照函数中 — 这样做更合理!

_ColorMerge(“ColorMerge,Range(0.1,20))=0

对应的变量为

float_ColorMerge;

现在我们将在shader中添加一个自定义的光照模型Toon。我们将使用Toon光照计算函数来代替我们一直使用的Lambert光照模型。

我们在代码中修改#pragma语句为

#pragma surface surf Toon

注意我们移除了finalcolor函数 — 我已经将对应的功能移到surf函数中实现了,这是为了在光照之前就计算好颜色(我们将得到更多变、更卡通的效果)。

上面已经说过我们想使用Toon光照模型就必须实现LightingToon函数 — LightingToon这个名字是将Lighting和#pragma语句中的Toon合并在一起组成的名字。

half4LightingToon(SurfaceOutputs,half3 lightDir,half atten)

{

half4 c;

halfNdotL=dot(s.Normal,lightDir);

NdotL=floor(NdotL*_Tooniness)/_Tooniness;

c.rgb=s.Albedo*_LightColor0.rgb*NdotL*atten*2;

c.a=s.Alpha;

returnc;

}

光照函数总是接受三个参数 — 表面着色器的输出结构体(SurfaceOutput s),光照方向(half3 lightDir)和光衰减因子(half atten)(光衰减因子attenuation主要是计算点光源、探照灯的衰减以模拟出明暗效果。)

该LightingToon函数总是返回光照后像素的颜色(half4类型)。

我们简单介绍下Toon光照模型是如何工作的 — 首先我们计算出光照方向和该像素处法向的点乘结果。记住如果点乘结果(即两向量的余弦值)为1,表示两向量方向一致,如果为-1,则两向量反向,如果为0,则两向量正好垂直。这个知识点对光照计算很有用途 — 比如一个像素直接对着光照方向,那么此像素显示的就是它本身颜色。如果两向量夹角大于90,即像素背向光照方向,对应颜色将变成黑色,如果夹角在0~90之间,我们根据角度的来插值出该像素的颜色。

Unity会对场景中的所有光照进行处理,来计算模型在所有光照下所产生的效果。并且在我们从surface函数中返回像素值后,Unity也会自动为该像素添加漫射光(ambient light)和光强度(intensity)的作用效果 — 此处我们想表达的意思就是,如果该像素不受当前光照影响,那么它将显示为黑色。

对于我们的Toon Shading

surf函数中仅仅使用了_ColorMerge对颜色种类进行简化。

voidsurf(InputIN,inoutSurfaceOutputo){

half4 c=tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex);

o.Normal=UnpackNormal(tex2D(_MainBump,IN.uv_MainBump));

o.Albedo=floor(c.rgb*_ColorMerge)/_ColorMerge;

o.Alpha=c.a;

}

下面是shader的源码,完整的资源请点击这里

Shader"Custom/ToonLightShader"{

Properties{

_MainTex("Base (RGB)",2D)="white"{}

_MainBump("Bump",2D)="bump"{}

//该变量主要使用来降低颜色种类的

_Tooniness("Tooniness",float)=4

_ColorMerge("ColorMerge",float)=4

}

SubShader{

Tags{"RenderType"="Opaque"}

LOD200

CGPROGRAM

#pragmasurface surfToon

sampler2D_MainTex;

sampler2D_MainBump;

//添加_Tooniness的引用

float_Tooniness;

float_ColorMerge;

structInput{

float2 uv_MainTex;

float2 uv_MainBump;

};

voidsurf(InputIN,inoutSurfaceOutputo){

half4 c=tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex);

o.Normal=UnpackNormal(tex2D(_MainBump,IN.uv_MainBump));

o.Albedo=floor(c.rgb*_ColorMerge)/_ColorMerge;

o.Alpha=c.a;

}

half4LightingToon(SurfaceOutputs,half3 lightDir,half atten){

half4 c;

halfNdotL=dot(s.Normal,lightDir);

NdotL=floor(NdotL*_Tooniness)/_Tooniness;

c.rgb=s.Albedo*_LightColor0.rgb*NdotL*atten*2;

c.a=s.Alpha;

returnc;

}

ENDCG

}

FallBack"Diffuse"

}

步骤3 — 使用渐变纹理

有时候(尤其是动画中),像素值的颜色会突然地变暗甚至是变黑。我们其实是想将这种颜色变化变得平滑一些。要做出平滑的效果,我们可以写一个平滑效果的函数,但是最简单的方法是使用一个ramp texture来产生平滑过渡效果,但又不失Toon效果中颜色种类少的要求。

之前我们求取NdotL,会有一个问题,比如当我们_Tooniness=4时,我们发现如果NdotL=0.249和NdotL=0.251之间的颜色会出现突然得变化,我们使用ramp纹理的目的也在于此,我们可以发现上面这张纹理在颜色边缘的变化是使用平滑过渡的方式进行的,这也就解决了上一段中提出的问题。

我们之所以能使用该方法,是因为纹理的uv坐标范围正好是0~1,所以我们可以将NdotL的值作为u值,而将v值设为0.5,这样我们只需要通过这样约定好的uv值在ramp纹理上采样,得到对应的颜色值。

显然我们首先要添加ramp纹理属性值。

_Ramp("Ramp Texture",2D)="white"{}

然后再添加一个sampler2D类型的_Ramp引用。

sampler2D_Ramp;

最后我们更新LightingToon光照函数。

half4LightingToon(SurfaceOutputs,half3 lightDir,half atten){

half4 c;

halfNdotL=dot(s.Normal,lightDir);

NdotL=saturate(tex2D(_Ramp,float2(NdotL,0.5)));

c.rgb=s.Albedo*_LightColor0.rgb*NdotL*atten*2;

c.a=s.Alpha;

returnc;

}

不加bump texture效果:

下面是shader的源码,完整的资源请点击这里

Shader"Custom/RampTextureShader"{

Properties{

_MainTex("Base (RGB)",2D)="white"{}

_MainBump("Bump",2D)="bump"{}

//该变量主要使用来降低颜色种类的

_Tooniness("Tooniness",Range(0.1,20))=4

_ColorMerge("ColorMerge",Range(0.1,20))=8

//使用ramp texture

_Ramp("Ramp Texture",2D)="white"{}

}

SubShader{

Tags{"RenderType"="Opaque"}

LOD200

CGPROGRAM

#pragmasurface surfToon

sampler2D_MainTex;

sampler2D_MainBump;

//添加_Tooniness的引用

float_Tooniness;

//添加_ColorMerge的引用

float_ColorMerge;

//添加_Ramp的引用

sampler2D_Ramp;

structInput{

float2 uv_MainTex;

float2 uv_MainBump;

};

voidsurf(InputIN,inoutSurfaceOutputo){

half4 c=tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex);

o.Normal=UnpackNormal(tex2D(_MainBump,IN.uv_MainBump));

o.Albedo=floor(c.rgb*_ColorMerge)/_ColorMerge;

o.Alpha=c.a;

}

half4LightingToon(SurfaceOutputs,half3 lightDir,half atten){

half4 c;

halfNdotL=dot(s.Normal,lightDir);

NdotL=saturate(tex2D(_Ramp,float2(NdotL,0.5)));

c.rgb=s.Albedo*_LightColor0.rgb*NdotL*atten*2;

c.a=s.Alpha;

returnc;

}

ENDCG

}

FallBack"Diffuse"

}

添加边缘效果

对于一个卡通效果的模型,我们还想添加黑色的边缘。在表面着色器中想实现该效果得使用边缘光照(rim lighting)(光照的颜色是黑色!)

如果当前像素方向和视线方向成90度,我们可以认为此像素为模型边缘,然后我们即将该像素置为黑色,这就是我们所说的边缘光照。

此时我们又将使用点乘这个强大的工具 — 但是这次点乘的参数不是光照方向,而是相机的的朝向,因为我们的黑色边缘是根据视线方向(即相机的朝向)计算出来的。

当然我们在shader程序中得使用一个属性值和一个变量来控制我们的边缘线。

_Outline("Outline",Range(0,1))=0.4

以及

float_Outline;

我们需要得到视线的方向 — 幸运的是如果我们在Input结构体中直接包含viewDir参数就可以得到视线方向 — 就像下面这样:

structInput{

float2 uv_MainTex;

float2 uv_MainBump;

float3 viewDir;

};

现在我们所要做的就是在surf函数中检测出模型的边缘。

//检测出模型的边缘

half edge=saturate(dot(o.Normal,normalize(IN.viewDir)));

edge=edge<_Outline?edge/4:1;

//将边缘涂黑

o.Albedo=floor(c.rgb*_ColorMerge)/_ColorMerge*edge;

首先我们计算像素法向和视线方向的点乘结果edge。然后如果edge小于_Outline的值,怎说明该像素属于边缘像素,于是重置edge为edge/4(一位置减小edge的值,注意此处4是一个经验值),否则edge=1。最后我们将edge乘上像素的颜色值。

下面是shader的源码,完整的资源请点击这里

Shader"Custom/RimLightingShader"{

Properties{

_MainTex("Base (RGB)",2D)="white"{}

_MainBump("Bump",2D)="bump"{}

//该变量主要使用来降低颜色种类的

_Tooniness("Tooniness",Range(0.1,20))=4

_ColorMerge("ColorMerge",Range(0.1,20))=8

//使用ramp texture

_Ramp("Ramp Texture",2D)="white"{}

_Outline("Outline",Range(0,1))=0.4

}

SubShader{

Tags{"RenderType"="Opaque"}

LOD200

CGPROGRAM

#pragmasurface surfToon

sampler2D_MainTex;

sampler2D_MainBump;

//添加_Tooniness的引用

float_Tooniness;

//添加_ColorMerge的引用

float_ColorMerge;

//添加_Ramp的引用

sampler2D_Ramp;

//添加_Outline的引用

float_Outline;

structInput{

float2 uv_MainTex;

float2 uv_MainBump;

float3 viewDir;

};

voidsurf(InputIN,inoutSurfaceOutputo){

half4 c=tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex);

o.Normal=UnpackNormal(tex2D(_MainBump,IN.uv_MainBump));

//检测出模型的边缘

half edge=saturate(dot(o.Normal,normalize(IN.viewDir)));

edge=edge<_Outline?edge/4:1;

//将边缘涂黑

o.Albedo=floor(c.rgb*_ColorMerge)/_ColorMerge*edge;

o.Alpha=c.a;

}

half4LightingToon(SurfaceOutputs,half3 lightDir,half atten){

half4 c;

halfNdotL=dot(s.Normal,lightDir);

NdotL=saturate(tex2D(_Ramp,float2(NdotL,0.5)));

c.rgb=s.Albedo*_LightColor0.rgb*NdotL*atten*2;

c.a=s.Alpha;

returnc;

}

ENDCG

}

FallBack"Diffuse"

}

总结

我们尽可能多的结合表面着色器的各种特性来实现我们的Toon Shader。事实上创建边缘轮廓最好的方法(缓解颜色突变的情问题)是在shader代码中创建两个pass — 但是要使用这种方法得学会写fragment shader并且要自己去写光照。额,下次再说吧…..

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