小强学渲染之Unity Shader边缘描边加强
项目开发遇到一个需求,就是当坦克的准心瞄准敌方(enemy tank 或 item box)时,要让选中的对象的轮廓高亮起来,这实际上是接下来要讲解的实时渲染中轮廓线的渲染应用。实现方式有多种,下面逐一总结各自的原理和优缺点。
· 法线外拓的几何轮廓线渲染
核心是使用两个Pass渲染模型,在第一个Pass中,使用轮廓线颜色渲染整个背面的面片,并在视角空间下把模型顶点沿着法线方向向外扩张一段距离,目的让背部轮廓线可见。
viewPos = viewPos + viewNormal * _Outline;
第二个Pass再正常渲染正面的面片。
但有些情况直接使用顶点法线进行扩展会带来bug,如一些内凹的模型,这样处理可能会发生背面面片遮挡正面面片的情况。解决的办法是,在扩张背面顶点之前,首先对顶点法线的z分量进行处理,使其等于一个定值,然后把法线归一化后再对顶点进行扩张。 目的是使扩展后的背面更扁平化,降低遮挡正面面片的可能性。
viewNormal.z = -0.5; viewNormal = normalize(viewNormal); viewPos = viewPos + viewNormal * _Outline;
补充高光效果 - “卡通高光”(即亮暗单一明显)。此前使用的Blinn-Phong模型中,使用法线点乘光照方向以及视角方向和的一半,再和另一参数进行指数操作得到高光反射系数,
, dot(normal, halfDir)), _Gloss);
为实现卡通高光渲染,需要对点乘的结果和一阈值比较,小于该阈值高光反射系数为0,反之为1,
float spec = dot(worldNormal, worldHalfDir); //step函数:第一个参数为参考值,第二个参数为待比较数值。第二个参数大于等于第一个参数则返回1,否则返回0 spec = step(threshold, spec);
使用CG的step函数来比较大小算是GPU代码的一个优化,因为用step()能代替大量的if else等条件语句。
引用冯乐乐的shader笔记内容,通过平滑函数可解决系数突变带来的边界锯齿的问题。 到此上述的轮廓理论讲解完毕,详细开发流程如下:
a)在场景中创建模型对象,tag为别为e1,e2,
b)完整的着色器代码如下:
// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld' // Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)' Shader "Shaders/ToonBound" { Properties { _Color (, , , ) _MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {} _Ramp ("Ramp Texture", 2D) = "white" {} //控制漫反射色调的渐变纹理 _Outline (, )) = 0.1 //控制轮廓线宽度 _OutlineColor (, , , ) //轮廓线颜色 _Specular (, , , ) //高光反色颜色 _SpecularScale (, 0.1)) = 0.01 //高光反射系数阈值 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry"} LOD Pass { //命名Pass块,以便复用 NAME "OUTLINE" //剔除正面 Cull Front CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag // make fog work //#pragma multi_compile_fog #include "UnityCG.cginc" float _Outline; fixed4 _OutlineColor; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; }; v2f vert (a2v v) { v2f o; //让描边在观察空间达到最好的效果 float4 pos = mul(UNITY_MATRIX_MV, v.vertex); float3 normal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal); normal.z = -0.5; pos = pos + float4(normalize(normal), ) * _Outline; //将顶点从视角空间变换到裁剪空间 o.pos = mul(UNITY_MATRIX_P, pos); return o; } float4 frag(v2f i) : SV_Target { //轮廓线颜色渲染整个背面 ); } ENDCG } Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //渲染正面 Cull Back CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #pragma multi_compile_fwdbase #include "UnityCG.cginc" #include "Lighting.cginc" #include "AutoLight.cginc" #include "UnityShaderVariables.cginc" fixed4 _Color; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; sampler2D _Ramp; fixed4 _Specular; fixed _SpecularScale; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; float4 texcoord : TEXCOORD0; float4 tangent : TANGENT; }; struct v2f { float4 pos : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 worldNormal : TEXCOORD1; float3 worldPos : TEXCOORD2; SHADOW_COORDS() }; v2f vert (a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos( v.vertex); o.uv = TRANSFORM_TEX (v.texcoord, _MainTex); o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; TRANSFER_SHADOW(o); return o; } float4 frag(v2f i) : SV_Target { fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); fixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos)); fixed3 worldHalfDir = normalize(worldLightDir + worldViewDir); fixed4 c = tex2D (_MainTex, i.uv); fixed3 albedo = c.rgb * _Color.rgb; //计算材质反射率 fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo; //计算环境光 UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos); //计算当前世界坐标下的阴影值 fixed diff = dot(worldNormal, worldLightDir); //计算半兰伯特漫反射系数 diff = (diff * 0.5 + 0.5) * atten; //对渐变纹理_Ramp进行采样 fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * tex2D(_Ramp, float2(diff, diff)).rgb; fixed spec = dot(worldNormal, worldHalfDir); fixed w = fwidth(spec) * 2.0; //抗锯齿处理 fixed3 specular = _Specular.rgb * lerp(, , smoothstep(-w, w, spec + _SpecularScale - )) * step(0.0001, _SpecularScale); return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }
运行游戏的效果如下:
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