unity-NPR-卡通渲染

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title: unity-NPR-卡通渲染
categories: Unity3d
tags: [unity, shader, npr, ta]
date: 2019-03-07 11:44:18
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NPR : Non Photorealistic Rendering, 非真实的渲染, 卡通渲染 是里面的一个范畴

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前篇

• NPR——卡通渲染（一） - https://blog.****.net/jvandc/article/details/81171250 (主要参考)
• 【NPR】卡通渲染 - https://blog.****.net/candycat1992/article/details/50167285
  • 对应的git : https://github.com/candycat1992/NPR_Lab
• 卡通渲染及其相关技术总结 ( good ) - https://blog.uwa4d.com/archives/usparkle_cartoonshading.html (主要参考)

名词解释

• Cel Shading - 卡通渲染

卡通渲染的特点通常有三个：一般物体轮廓处有黑色描边；漫反射呈现明显的色块，而不是渐变；高光区域通常是一块突变的白色亮块。

npr代表作品

• 美术风格 : 军团要塞2,
  • 美式卡通色彩比较丰富，光影表现更真实自然
• 日式风格 : 崩坏3,
  • 日式卡通风格凸出大范围的纯色色块，光影边界明显，“非真实感”明显

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卡通着色

卡通风格一般可以大致分为日式和美式的 [2]， 日式卡通风格凸出大范围的纯色色块，光影边界明显，“非真实感”明显；而美式卡通色彩比较丰富，光影表现更真实自然。下文将探讨实现这两种风格的着色技术。

Cel Shading和Tone Based Shading
先来描述两种经典的NPR着色方法，分别是Cel Shading和Tone Based Shading5。

Cel-Shading

Cel Shading的基本思想是把色彩从多色阶降到低色阶，减少色阶的丰富程度，从而实现类似手工着色的效果，具体来说，可以用如下计算方法：

其中，Kd表示模型自身的贴图颜色，celCoord表示法线和光照方向的点积，然后将其点积值 [−1,1][−1,1] 映射至 [0,1][0,1]，用作一维色彩表的查找坐标，而paletteTex则是由美术绘制的一维色阶表，一般来说是由几个纯色色块组成的，如下图：

上述做法可以用于模拟卡通渲染的漫反射分量，却并没有考虑到视角相关的光照分量的模拟，因此很难实现类似菲涅尔效果的卡通渲染。实际上，也可以用类似的查找表的思路来视角相关光照分量的色阶离散化6，只需要将一维查找表扩展到二维即可：

相应地，查找坐标也扩展到了二维。

Tone Based Shading

不同于Cel Shading，Tone Based Shading的风格化是基于美术指定的色调插值，并且插值得到的色阶是连续的。首先需要由美术指定冷色调和暖色调，而最终模型的着色将根据法线和光照方向的夹角，在这两个色调的基础上进行插值，具体算法如下：

其中，Kd仍是模型自身色彩贴图，Kblue，Kyellow和alpha，beta则均是自定义的参数。

基于tone based shading绘制的球体

日式卡通中的着色

引文 [1] 中介绍了游戏《罪恶装备》使用的卡通着色算法（西川善司的两篇文章详述了《罪恶装备》制作流程），表示如下：