Unity Shader 卡通渲染基于退化四边形的实时描边

从csdn转移过来，顺便把写过的文章改写一下转过来。

一、边缘检测算法

3D模型描边有两种方式，一种是基于图像，即在所有3D模型渲染完成一张图片后，对这张图片进行边缘检测，最后得出描边效果。一种是基于空间，即针对3D模型的三角面三个顶点构成的线条做边缘检测（注：和基于图像的边缘检测的检测方式是不同的，但都叫边缘检测）。在本文中使用的是基于空间的3D模型的描边。

空间的3D模型的描边的边是有类型的，大致总结有4种：轮廓边、边界边、折缝边、材质边。其中前3种是本文认为卡通渲染所必须有的。

图1 空间中的边分类来自文献[1]

轮廓边的检测根据定义就是，1条边的2个邻接面的法线分别和视线方向的点乘结果再相乘，结果小于0就是轮廓边。数学上表达就是：(N1·V)*(N2·V) < 0，N1和N2是2个邻接面的法向量，V是视线方向。

边界边的检测比较简单，如果1条边只有1个面邻接，那么这条边就是边界边。

折缝边的检测需要使用1个角度参数α，1条边的2个邻接面的夹角和这个参数做大小比较。一般在0~180度，但本文选择在0~90度，并规定小于参数α的就是折缝边。

总结：要在3D模型上实现这3类边的绘制，只需要知道构成1条边的2个邻接面即可完成3类边的检测。在学术上有人把这2个邻接面当做1个点输入到着色器中，并作为1条边作为输出，并称这2个邻接面为退化四边形。

图2 退化四边形

二、具体实现

本文使用目前最主流的Uinty3D游戏引擎实现，由于这是脱离正常真实感渲染的算法，因此如果不能自定义这部分渲染流程，那么实现起来就无比困难，幸运Unity3D支持自定义渲染流程，其中使用到的关键类为CommandBuffer、ComputeBuffer。

由于不同的图形引擎，对图形接口的高级用法支持程度并不一致，例如Unity3D的几何着色器就没办法获取邻接三角形。因此预处理是有必要的。

实现步骤：

步骤1：预处理阶段，在这个阶段找出模型所有的边，以及边所对应的2个邻接面（默认所有边都是由2个邻接面相交构成，不规范的请自行处理）。

步骤2：把预处理阶段的数据保存下来，Uinty3D提供了很好接口ScriptableObject 。（注：默认保存退化四边形4个顶点的索引，如果保存的不是顶点索引，请自行处理）

步骤3：通过CommandBuffer、ComputeBuffer把预处理据保输入到显卡（GPU）中进行检测和绘制。

shader中边缘检测步骤：

步骤1：通过退化四边形4个顶点数据，计算出2个邻接面的法向量。如果顶点数不足4个则表明该边只有1个邻接面，因此它是边界边。

步骤2：计算出2个邻接面的法向量和视线方向的点乘结果dot(N1, V) * dot(N2, V)，如果结果为负则是轮廓边。

步骤3：pow(dot(N1, N2) / cos(α), 2)在[0, PI/2]上单调递增, 可避免开方的特点，完成和dot(N1, N1) * dot(N2, N2)比较，如果小于则为折缝边。

三、实验结果

由于Uinty3D的帧数实在看不太懂，运算量低的时候帧数基本保持在90帧左右，运算量高一点点的时候就跑到120帧，估计是内部做了优化，因此运行结果仅供参考，并不准确，运行环境I5-4210M，GTX765M。

四、总结

这个描边算法在很早就被提出，这种基于空间的描边极大程度的得到模型丰富的描边细节，可惜在市面上貌似并不为人所知。某崩公司貌似是使用了这种算法，结合其他卡通渲染算法，画面效果惊人，把同行远远甩在后面。因此如果想让自己的作品更有竞争力，开发人员应该静下心来学习一下放到发霉的论文（金子）。本文的后续工作是控制线条的大小，理论上应该是可以在裁剪空间实现近粗远细的线条算法，但由于刚刚踏足这一块，还有很多其他工需要去研究，本文到此结束，谢谢。

附：源码

参考文献:

[1]基于着色器技术实时卡通渲染的的研究

[2]基于GPU实时非真实感渲染的研究与实现

[3]3D日式卡通人物渲染的经验分享

[4]Unity网格编程篇(二) 非常详细的Mesh编程入门文章

[5]Unity Shader入门精要

[6]Geometry Shader Input: GL_TRIANGLES_ADJACENCY

[7]Adjacency information in geometry shaders

[8]Direct X 12 – Geometry Shader 几何着色器

[9]OpenGL 图元处理

原文在这，比较凌乱，不再建议阅读。