卡通渲染

相对于 真实渲染(Physical Based Rendering - PBR),非真实渲染(Non-Photorealistic Rendering - NPR)通过特性化渲染,实现与真实世界完全不同的美术表现。

卡通渲染(Toon Shading)是非真实渲染的常见效果之一。

通常卡通渲染的内容包含以下几个基础部分:

  • 对物体进行描边
  • 降低色阶的数量并模拟色阶不连续现象
  • 明暗色调分离
  • 阴影形状干扰等

toon

渲染过程

Creator 提供了内置卡通渲染着色器 builtin-toon.effect,以此为例,我们在材质资源中将 Effect 属性中的着色器切换为 builtin-toon.effect,可以看到卡通渲染由两个渲染过程(Pass)组成:

渲染过程

  • 渲染过程 0(Pass 0):用于描边,默认不启用,可勾选右侧的 USE_OUTLINE_PASS 开启。
  • 渲染过程 1(Pass 1):正常渲染模型

渲染过程 0

渲染过程 0 会将光栅化状态中的剔除模式选择为正面剔除(CullMode = FRONT)并将模型的顶点沿法线进行扩张,由此得到一个比原模型较大的单色模型,之后 渲染过程 1 会正常渲染一次模型并遮盖住 渲染过程 0 的渲染结果,由于 渲染过程 1 的模型尺寸小于 渲染过程 0 的尺寸,因此会留下一个纯色的边缘形成描边。

cull-front

渲染过程 0 可通过勾选 USE_OUTLINE_PASS 开启或关闭。

当勾选 USE_OUTLINE_PASS 开启 渲染过程 0 的描边功能后,效果图如下:

USE_OUTLINE_PASS 开启

若需要调整描边的深度效果,可通过 DepthBias 属性进行调整:

DepthBias

当不勾选 USE_OUTLINE_PASS 关闭 渲染过程 0 的描边功能后,效果图如下:

USE_OUTLINE_PASS 关闭

渲染过程 1

卡通渲染的核心思路是通过降低色阶的数量,模拟器卡通中的赛璐璐(Celluloid)画风。

在着色器中将色阶降低为三个色阶,并通过三个颜色组成:

  • baseColor:基础颜色
  • shadeColor1:一阶着色的颜色
  • shadeColor2:二阶着色的颜色

其颜色与编辑器材质属性的对应关系如下图:

toon-shade-color

勾选 USE_1ST_SHADE_MAPUSE_2ND_SHADE_MAP 的情况下,使用外部进行纹理模拟色阶不连续现象。

shade map

通过着色器的 surf 方法计算表面着色器(ToonSurface)的参数,并由 CCToonShading 方法计算最终的着色。

surf 代码

参数和预编译宏定义

渲染过程 0

属性 说明
lineWidth 描边的宽度
depthBias 描边的深度位移调整因子
baseColor 描边的颜色

渲染过程 1

属性 说明
tilingOffset 模型 UV 的缩放和偏移量,xy 对应缩放,zw 对应偏移
mainColor 主颜色,该颜色会作为最初的色阶
colorScale 颜色缩放,对主颜色,一阶和二阶颜色的 RGB 通道相乘
alphaThreshold 设置 Alpha 测试阀值,Alpha 值低于设定值的像素将被抛弃。该项仅在勾选 USE_ALPHA_TEST 后显示
shadeColor1 一阶色阶的颜色,该颜色会作为卡通着色的中间色阶
shadeColor2 二阶色阶的颜色,该颜色会作为卡通着色的最后一个色阶
specular 高光颜色
baseStep 一阶着色的步长
baseFeather 一阶着色和主颜色混合因子,和 BaseStep 属性配合调整一阶色阶所占比例以及混合的形式
shadeStep 二阶着色的步长
shadeFeather 二阶着色和一阶着色的混合因子,和 ShadeStep 属性配合调整二阶色阶所占比例以及混合的形式
shadowCover 阴影遮蔽因子
emissive 自发光颜色,独立于光照计算,由模型本身直接发散出的颜色
emissiveScale 自发光强度,用于控制自发光颜色对最终颜色的影响权重
normalStrenth 法线伸缩量
只有在启用 USE_NORMAL_MAP 后才可以调整并对法线的 xy 轴进行缩放
normalMap 法线贴图
只有在启用 USE_NORMAL_MAP 后才可以调整
mainTexture 主纹理,定义物体的基础纹理
编辑器内显示为 baseColorMap,需启用 USE_BASE_COLOR_MAP 宏才可以调整
shadeMap1 一阶色阶纹理,若指定则会和设定的 ShadeColor1 相乘。该项仅在勾选 USE 1ST SHADER MAP 后显示
shadeMap2 二阶色阶纹理,若指定则会和设定的 ShadeColor2 相乘。该项仅在勾选 USE 2ND SHADER MAP 后显示
specularMap 高光贴图,若指定了贴图,则会和高光颜色相乘。该项仅在勾选 USE SPECULAR MAP 后显示
emissiveMap 自发光贴图,若指定则会和自发光颜色相乘,因此需要将自发光颜色(默认是黑色)中的 RGBA 调高才会有效果。该项仅在勾选 USE EMISSIVE MAP 后显示

宏定义

宏名 说明
USE_INSTANCING 是否启用动态 instancing
USE_OUTLINE_PASS 是否启用描边 Pass
USE_NORMAL_MAP 是否使用法线贴图
USE_BASE_COLOR_MAP 是否使用基础贴图
USE_1ST_SHADE_MAP 是否使用贴图作为一阶色阶
USE_2ND_SHADE_MAP 是否使用贴图作为二阶色阶图
USE_EMISSIVE_MAP 是否使用自发光贴图
USE_ALPHA_TEST 是否进行半透明测试
USE_SPECULAR_MAP 是否使用高光贴图
BASE_COLOR_MAP_AS_SHADE_MAP_1 使用 baseColorMap 作为一阶着色
BASE_COLOR_MAP_AS_SHADE_MAP_2 使用 baseColorMap 作为二阶着色
SHADE_MAP_1_AS_SHADE_MAP_2 二阶着色是否和一阶着色叠加

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