Unity URPPBR转NPR风格化场景01：描边
Posted 九九345
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Unity URPPBR转NPR风格化场景01：描边相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
写在前面
风格化不像PBR，好像没有套路可言，，，简直是《怎么好看怎么来》的最大化实践了！感觉出的PBR+NPR也是为了更好地利用PBR资产才诞生的这样一个渲染方案。（当然我的评价非常非常的片面，瞎说的）
偶然间看到了b站一位大佬在blender里实现的效果（原链接【blender】传统PBR转风格化三渲二无主之地风格，作者甚至还提供了Blender源文件，感恩TAT）：
嗷嗷嗷是我非常喜欢的风格！无主之地从场景到人物都点在我的审美上，，，我要Copy到Unity里！！
先在blender里尝试一下这个渲染方案对贴图的要求高不高吧，验证一下可行性，拿了一个之前从Bridge下载（题外话，，Bridge真得很好用啊啊啊素材很多很方便）的基础木箱模型：
我给强行融入到上面的场景中了hhhh，感觉还不错！说明这套方案对传统PBR模型+贴图资产直接着色的效果可以的！
由于URP各个版本更新换代太快了，贴一下项目环境，给后面看到这篇文章的小伙伴提个醒，我的项目环境：
URP12.1.7
Unity2021.3.8f1
那那那，开始复刻！
首先就是描边了，也是本文的重点。主要涉及了两种双Pass实现描边的方案（边缘检测没涉及，之前写过了，感兴趣可以看看(1条消息) 【Unity Shader】屏幕后处理2.0：实现Sobel边缘检测）
观察了一下Blender方案里描边也是NPR传统的外扩描边思路（只不过Blender里要给模型实例化修改器再剔除描边），一个材质完全负责描边，一个则负责着色：
换到Untiy下的话应该要么就是双Pass，要么就是URP下RenderFeature实现，二者一个意思。（之前水墨那个效果的描边是直接基于观察方向+法线方向实现的，出来的描边效果不“硬”，却符合水墨的那种随意感，但感觉并不适合正常NRP的描边方式。）
我们先讨论双Pass实现描边效果，
1 模板测试实现描边
1.1 补一下Stencil的知识
在Stencil实现描边效果的时候，会有：
Stencil
Ref [_StencilID]
Comp Always
Pass Replace
Fail Keep
在之前学习渲染管线时：【技术美术图形部分】图形渲染管线3.0-光栅化和像素处理阶段中就接触到了Stencil，也就是模板测试，在最后的逐片元操作中每个片元需要通过层层关卡（测试），最终才能被展示出来：
简单来说，Stencil可以用于在渲染中筛选和保留像素，而且是高度可配置的，配置的话就像最开始举例的一样，需要给一些参数定义值。参考Unity - Manual: ShaderLab command: Stencil，可配置项有，
Stencil
Ref <ref>
ReadMask <readMask>
WriteMask <writeMask>
Comp <comparisonOperation>
Pass <passOperation>
Fail <failOperation>
ZFail <zFailOperation>
CompBack <comparisonOperationBack>
PassBack <passOperationBack>
FailBack <failOperationBack>
ZFailBack <zFailOperationBack>
CompFront <comparisonOperationFront>
PassFront <passOperationFront>
FailFront <failOperationFront>
ZFailFront <zFailOperationFront>
比较基础的配置项可以是这样，
Stencil
Ref 2
Comp equal
Pass keep
ZFail decrWrap
Ref
Ref中选定的是Stencil ID，0-255，默认0。用于和模板缓冲（Stencil Buffer）中的值比较，如何比较就是后面的Comp中给定，满足条件就保留，不满足就剔除掉。
Comp
比较方式，直接定义就行。具体的话有：
Pass
Stencil operation值，当片元通过上面的Comp比较后，这里可以定义通过测试后的操作，决定他是留下？还是写入0？还是其他的操作，默认的是Keep（保留）。可取值如下：
Fail
也是Stencil Operation值，道理和Pass一样，如果没有通过测试，该对片元执行的操作，操作赋值方式跟Pass的一样。
zFail
当前片元通过模板测试但是没通过深度测试，该执行什么操作？赋值同样跟Pass的一样。
1.2 双Pass描边原理
两个Pass分工明确，
- Pass1：正常渲染正面面片
- Pass2：渲染背面面片，并用某些技术仅让它多出的轮廓可见
我们先尝试用Stencil进行，那么具体过程就是，
- PASS1：给Stencil Buffer刷特定值，并在当前Pass进行正常的渲染操作
- PASS2：进行描边，先把模型向外延伸，把模型顶点沿着法线方向向外扩张一段距离，这段距离就是描边的厚度了，再通过调整参数仅渲染扩张的部分，输出描边色就行
关于该方法的优点和缺点，我们后面再进行讨论。
1.3 关于URP中的双Pass
从其他文章看到的说法：“URP下双Pass是有代价的，shader无法被SRP batching机制优化。”就是说最好别多Pass的意思？但是Lit里也有多Pass诶，，这里先持怀疑态度~~因为很可能URP后来推出了能够参与SRP batching的多Pass方案也说不定呢。
URP渲染Pass的方式
Build-in下的多Pass如果直接搬到URP下会不奏效，很多文章直接说URP下只支持单Pass，但其实是换了一种方式，从按Pass分的方式变成了按LightMode分。我们打开内置的Lit.shader看看源码：
Lit里也是很多Pass！但每个Pass都有不同的Tag，正常光照的打了
Tags"LightMode" = "UniversalForward"阴影的打了
Tags"LightMode" = "ShadowCaster"等等等等，Unity URP中的Single-Pass到底是什么中举了例子很好地说明了这一点。我直接copy过来他最终的结论：相同的Tags标签只会被执行一次，而不是说一个shader里面只能有一个Pass块。
查看RenderObjectsPass
这里我们可以把项目Packages下的Universal RP文件在VS Code打开，就可以查找想要的.cs文件啦！我们找到RenderObjectsPass.cs文件，
public RenderObjectsPass(string profilerTag, RenderPassEvent renderPassEvent, string[] shaderTags, RenderQueueType renderQueueType, int layerMask, RenderObjects.CustomCameraSettings cameraSettings)
base.profilingSampler = new ProfilingSampler(nameof(RenderObjectsPass));
m_ProfilerTag = profilerTag;
m_ProfilingSampler = new ProfilingSampler(profilerTag);
this.renderPassEvent = renderPassEvent;
this.renderQueueType = renderQueueType;
this.overrideMaterial = null;
this.overrideMaterialPassIndex = 0;
RenderQueueRange renderQueueRange = (renderQueueType == RenderQueueType.Transparent)
? RenderQueueRange.transparent
: RenderQueueRange.opaque;
m_FilteringSettings = new FilteringSettings(renderQueueRange, layerMask);
if (shaderTags != null && shaderTags.Length > 0)
foreach (var passName in shaderTags)
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId(passName));
else
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId("SRPDefaultUnlit"));
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId("UniversalForward"));
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId("UniversalForwardOnly"));
m_RenderStateBlock = new RenderStateBlock(RenderStateMask.Nothing);
m_CameraSettings = cameraSettings;
中间的，
if (shaderTags != null && shaderTags.Length > 0)
foreach (var passName in shaderTags)
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId(passName));
else
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId("SRPDefaultUnlit"));
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId("UniversalForward"));
m_ShaderTagIdList.Add(new ShaderTagId("UniversalForwardOnly"));
这段意思是，
- 如果Shader中自己单独定义了shaderTags，而且在这个shaderTags中定义了不同的passName，则每个passName可以单独执行一次（？...不确定分析的对不对）
- 如果没自己定义shaderTags，就按照else里面初始定的3个名字，也就是官方初始的
查看DrawObjectsPass.cs
其中，
public DrawObjectsPass(string profilerTag, bool opaque, RenderPassEvent evt, RenderQueueRange renderQueueRange, LayerMask layerMask, StencilState stencilState, int stencilReference)
: this(profilerTag,
new ShaderTagId[] new ShaderTagId("SRPDefaultUnlit"), new ShaderTagId("UniversalForward"), new ShaderTagId("UniversalForwardOnly") ,
opaque, evt, renderQueueRange, layerMask, stencilState, stencilReference)
感觉URP版本之间经常改源码，，比如之前版本SRPDefaultUnlit是在UniversalForward之后的，现在(12.1.7)变成之前了，，也就是说我们的正常着色Pass的LightMode要是SRPDefaultUnlit。
1.4 双Pass框架
方案就是第一个Pass是正常的着色，关键部分：
Name "ForwardLit"
Tags
"LightMode"="SRPDefaultUnlit"
// 剔除操作
// Blend [_SrcBlend][_DstBlend]
// ZWrite[_ZWrite]
// Cull[_CullMode0]
Stencil
Ref 2 // 给模板刷值
Comp Always // 始终渲染
Pass Replace // 通过Comp测试，且把当前的Ref值2写入Stencil Buffer中
第二个Pass就是Stencil去判断，关键部分：
Name "Outline"
Tags
"LightMode"="UniversalForward"
// // 剔除
// Cull [_CullMode1] // Cull Front
Stencil
Ref 2
Comp NotEqual // 不相等才通过，那么相等的都会被pass，所以着色区域不会做任何渲染，因为前面着色区域Ref都是2
Pass Keep // Stencil Buffer默认值是0，所以其他地方就保留啦
1.5 2种外扩方式
模型空间下外扩
第二个Pass还需要实现沿着法线外扩描边，这里按照外扩的空间可以分为模型空间或者裁剪空间。比较简单啦，就是在计算裁剪空间坐标前，对模型空间下点坐标做一个沿法线方向的移动：
v2f vert(a2v v)
v2f o;
// 1. 模型空间下膨胀
v.positionOS.xyz += v.normal * _OutlineStrength * 0.01;
o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);
return o;
看看效果：
问题：进大远小
我们对比一下拉远和拉近箱子，对比一下描边：
sos，出现问题了，，，远近描边的粗细是不同的。造成这个问题的原因：在裁剪之前做的变换，最后长度都会符合世界空间下因为相机透视造成的近大远小的效果。如果不考虑那么多的话其实不怎么影响。但是如果追求放大后的细节，还是要矫正一下的，至于如何矫正——在裁剪空间下做法线偏移。
裁剪空间下外扩
我们仿照这篇文章，也给是否开启裁剪空间偏移法线搞个开关！
v2f vert(a2v v)
v2f o;
// 1.模型空间下膨胀
v.positionOS.xyz += v.normalOS * _OutlineStrength * 0.01;
// VertexPositionInputs vertexPos = GetVertexPositionInputs(v.positionOS.xyz);
// o.positionCS = vertexPos.positionCS;
// or:
o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);
#ifdef _FIXED_ON
// 2.裁剪空间
VertexNormalInputs normalPos = GetVertexNormalInputs(v.normalOS.xyz);
float2 normalCS = TransformWorldToHClipDir(normalPos.normalWS).xy; // 世界空间->裁剪空间，只留下xy，不要z的
o.positionCS.xy += normalCS * _OutlineStrength * 0.01 * o.positionCS.w;
#endif
return o;
这里URP封装的函数太方便了，直接拿过来用，而且返回的直接是归一化后的值了：
real3 TransformWorldToHClipDir(real3 directionWS, bool doNormalize = false)
float3 dirHCS = mul((real3x3)GetWorldToHClipMatrix(), directionWS).xyz;
if (doNormalize)
return normalize(dirHCS);
return dirHCS;
最后的效果：
开关面板：
1.6 重叠物体的渲染效果
我尽量展示出所有可能的位置情况了，可以发现，模板测试得到的描边效果，实际上就是绕着外面转一圈，内描边是无的。这跟他的实现方法（储存到Buffer进行值的比较）挂钩：
1.7 超远距离的渲染效果
解决方案参考自：卡通渲染之描边技术的实现（URP）
感觉这个问题手机上比较严重，电脑上其实看着还行，手机屏幕尺寸限制，物体都会小小的，很容易有离远了就黑黑一坨的问题：
想控制这个描边不要太粗，成了黑黑的一坨，那就要控制o.positionCS.w的值，为什么呢？我们看看这个裁剪空间w的定义：
他的取值会跟相机的Near和Far挂钩
而我们展示的尺寸是与屏幕尺寸有关的，因此需要给w限制在一定范围内，优化掉“远处描边黑黑一坨”的问题：
float ctrlCSw = clamp(o.positionCS.w,0,20); // 需要控制w的范围
o.positionCS.xy += normalCS * _OutlineStrength * 0.01 * ctrlCSw;控制了之后：
不错！
2 正面剔除实现描边
这个方案在《入门精要》中被定义为过程式几何轮廓线渲染。大概就是，
- PASS1：背面剔除，渲染正面-Cull Off（默认状态就是Cull Off）
- PASS2：正面剔除，渲染背面-Cull Front
这个方法渲染出来的就不是Stencil那样的外轮廓线了，还会包含里面的部分：
啊，这个效果是我比较喜欢的描边效果了。后面的话就用它吧。
3 外扩法的不足
本身是基于法线的，所以一定会遇到这些情况：
- 凹下去的物体：描边会很奇怪
- 低模：比如一个立方体、法线过渡剧烈的角落，描边会断
针对低模这个问题，需要对模型做额外的法线平滑处理，这里可以单独写一个脚本，定义成组件之后有针对性地去平滑法线，这里就不在扩展了。
接下来会进行着色部分。
NPR非真实感渲染实验室
写在前面
前几天在知乎看到一个问题——关于非实感图形学或者风格化渲染有哪些好的书或者paper，我刚好接触过一些就去里面回答了一下。答完以后突然想在Unity里搞一个这种集锦，把一些简单的NPR论文或者教程在Unity里实现一下。于是这两天就做了一下。
我把这个项目放到了GitHub（https://github.com/candycat1992/NPR_Lab）上，有兴趣的同学能够去看一下。
项目链接：https://github.com/candycat1992/NPR_Lab
实现了哪些NPR
就这两天的工作，我主要挑选的是关于卡通渲染一些最早的论文，比如1998年的A Non-Photorealistic Lighting Model for Automatic Technical Illustration，这篇是最早提出在卡通渲染使用色调来模拟插画风格的文章。
因为Unity封装的太好了，一些论文中的效果我没有在Unity里做出来，等到Unity更新之后开放很多其它功能的时候我会更新。
这个项目不出意外的话我会一直更新的。假设大家一些希望看到的NPR效果能够跟我说。有时间的话我会尝试去实现。
每次更新项目，假设加入了新的渲染效果。我也会在项目的README里注明。比如，在我写这篇文章的时候，我一共实现了五个简单的NPR：
Antialiased Cel Shading
Related Scene: AntialiasedCelShadingScene
Reference: http://prideout.net/blog/?p=22
Tone Based Shading
Related Scene: ToneBasedShadingScene
Reference: Gooch A, Gooch B, Shirley P, et al. A non-photorealistic lighting model for automatic technical illustration[C]//Proceedings of the 25th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. ACM, 1998: 447-452.
Stylized Highlights
Related Scene: StylizedHighlightsScene
Reference: Anjyo K, Hiramitsu K. Stylized highlights for cartoon rendering and animation[J]. Computer Graphics and Applications, IEEE, 2003, 23(4): 54-61.
Pencil Sketch Shading
Related Scene: PencilSketchShadingScene
Reference: Lake A, Marshall C, Harris M, et al. Stylized rendering techniques for scalable real-time 3D animation[C]//Proceedings of the 1st international symposium on Non-photorealistic animation and rendering. ACM, 2000: 13-2
Hatching
Related Scene: HatchingScene
Reference: Praun E, Hoppe H, Webb M, et al. Real-time hatching[C]//Proceedings of the 28th annual conference on Computer graphics and interactive techniques. ACM, 2001: 581.
背后的原理
这些实验大部分都是參考了论文。少数是基于一些教程。
它们大多数仅仅使用到了shader。在项目的README里。我给出了每种效果參考的资料以及在项目中的场景名字。我本来打算每种效果都写一篇博文来讲一下原理，但近期在写书并且还有实验室方面的工作要做，时间没那么充裕，因此更新会慢。但就眼下实现的几种效果来说。大家都能够从论文中找到实现原理，并且shader也都不复杂。
写在最后
这个项目也是纯属兴趣，假设大家有不论什么意见和建议欢迎给我留言。假设发现我的实现有误。也一定要告诉我。
最后，希望大家能够hava fun~
以上是关于Unity URPPBR转NPR风格化场景01：描边的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章