隨著《原神》,、《薩爾達傳說：荒野之息》,、《少女前線》等游戲的火熱，卡通風格渲染已經(jīng)在近幾年內(nèi)成為游戲開發(fā)圈內(nèi)的炙手可熱的話題,。那么如何才能快速創(chuàng)造出高質(zhì)量,、高清晰度的卡通風格渲染畫面呢？今天我們來看看來自網(wǎng)易的游戲制作人是如何使用Unity創(chuàng)造出高質(zhì)量的卡通渲染畫面的,。

在全新一期的「Unity大咖作客」分享會上,，來自網(wǎng)易的 TA 大咖雷宇航，為大家?guī)砹艘浴蹲呓ㄍㄤ秩?關(guān)于 Trick 的兩三事》為主題的講座,。

本文節(jié)選了部分精彩內(nèi)容下面讓我們來看看吧,！

大家好，我是雷宇航,，是在知乎上寫卡通渲染眼鏡篇和面部篇的MIZI,，目前在網(wǎng)易負責技術(shù)美術(shù)。

本次內(nèi)容我會圍繞卡通渲染中角色使用到的?trick 來解析其中的技巧,。此次我們主要討論兩個話題,，一個是卡通渲染的 trick，另一個是 NPR 和 PBR 的結(jié)合,。這是詳細的目錄,。

卡通渲染在動畫和游戲中的制作思路是不同的,，動畫中相機經(jīng)常是固定角度，可以去手動修正瑕疵,，而游戲中的卡通渲染會更加注重在不同環(huán)境與角度下效果表現(xiàn)的合理性,。

因為 2D 畫面在 3D 畫面中并不是完全成立的，所以在卡通渲染中各種 trick 就是難以避免的,。前半部分我會首先來概述一下卡通渲染的基本內(nèi)容,，這一部分會相對比較簡單。

另外因為基于 PBR 的可能仍然是現(xiàn)在的大方向之一,，后半部分內(nèi)容我們就討論一下卡通渲染和 PBR 結(jié)合的問題,，以及目錄中這些 Shading Model 中存在的 trick。

基于 trick 的卡通世界,。

從 2015 年罪惡裝備在 GDC 上分享卡通渲染的方法到現(xiàn)在,，卡通渲染的發(fā)展非常迅速，有基于賽璐璐的動畫還原,，如《罪惡裝備》,，《賽馬娘》這些，還有基于 PBR 的風格化,，像是《鹿鳴》,、《奇跡暖暖》，也有不那么 PBR,，但是使用了 PBR 制作的作品,，比如《碧蘭幻想》《藍色協(xié)議》等，再到更加風格化的探索,，像是《破曉傳說》,。

卡通渲染的風格表現(xiàn)力越來越廣，對于卡通渲染來說,，不像 PBR 那樣有標準流程和衡量準則,，卡通渲染很大程度上會依賴于美術(shù)方面的造型和色彩，所以美術(shù)風格的處理在卡通宣傳中是比較重要的,。

另外卡通渲染是人們主觀審美與現(xiàn)實環(huán)境抽象的結(jié)合,，不同人對卡通渲染概念理解不同，這就產(chǎn)生了各式各樣的制作流程,，不過還是有一定固定思路在其中的,。我們來看一下游戲開發(fā)者們?yōu)榱撕每吹目ㄍㄤ秩井嬅娑甲隽四男┡Γ?/p>

首先列一下概念，卡通渲染常見的有兩個名稱,，就是Cel Shading 和 Toon Shading,，Cel 是賽璐璐 celluloid 的縮寫，而 Toon 就是 cartoon 的簡寫。最簡單的我們只需要陰影,、描邊和高光,，就可以組合成具有卡通感的畫面。

不過就像剛剛所說的,，這些并不是必須的,。隨著卡通渲染的發(fā)展，卡通渲染這個概念在逐漸的泛化,，在美術(shù)上有對應(yīng)的形態(tài)和色彩表現(xiàn),，就可以有卡通風格的感覺了。

關(guān)于卡通渲染的基礎(chǔ)表現(xiàn),，下面先來快速過一遍卡通宣傳的基本技巧。

卡通渲染第一步就是修改光照模型,，對 NDotL 計算蘭伯特光照進行修改,，常見的有使用 Step 函數(shù)，RampMap 貼圖的方式,。

首先是 Step 階躍函數(shù),。單獨的 Step 很簡單，就是給出另外一個 A 值,，大于該值的為 1,，小于該值的為 0，而 Smoohstep 就是平滑的階躍函數(shù),，圖中的紫色曲線就是 Smoohstep 的函數(shù)圖像,，右邊是對應(yīng)的光照結(jié)果，在給定的 a 值和 b 值之間會有一段平滑的過渡,，蘭伯特計算結(jié)果,，將蘭伯特的計算結(jié)果通過 step 重新映射，我們就可以控制陰影的邊界軟硬和位置了,。

然后是 RampMap,，ramp 圖修改光照的方式和階躍函數(shù)類似，將蘭伯特光照作為映射值去采用 ramp 圖就可以得到對應(yīng)的風格化光照,。中間的圖就是 ramp 圖（又稱 LUT 查找表）,。陰影的軟硬和顏色變化可以通過 ramp 圖的色彩過渡來實現(xiàn)。

然后是邊緣光,，這是常見的效果之一,，動畫中的邊緣光更偏向軟硬兩層邊緣光混合的情況。常見的實現(xiàn)方式主要有兩種,，菲涅爾和深度偏移,，也有使用邊緣檢測的方式，不過不太常見。

基礎(chǔ)的邊緣光可以由法線和視角方向點積獲得,，基于 NDotV,，同時這也是 Shader Graph 中 Fresnel 節(jié)點的計算。

對于深度偏移的邊緣光可以獲得等寬的硬邊緣,。這對于一些轉(zhuǎn)折比較少的模型,，比如立方體的支持會更好一點。原理就是將模型頂點偏移,，重新采樣深度,，然后與原模型的深度進行比較，深度差大于某一值域,，那么就是邊緣,。《原神》中的人物邊緣的亮邊應(yīng)該就是使用了這種方式,。

明暗交界線是動畫中經(jīng)常會出現(xiàn)的特征,，這是繪畫中常見的處理?；谶@些特征,，不少畫師會在明暗交界線上做特殊的偏色處理，動畫中也都有體現(xiàn),，在物理的渲染中比較接近這些效果的是 SSS 表面散射,，這一表現(xiàn)可以看作是對 SSS 的夸張。

那么對于明暗交界線的計算,，我們只需要找到明暗交界線區(qū)域的亮度范圍就可以了,。

如果使用 ramp 圖來計算光照，就可以直接將交界區(qū)域在 ramp 圖中畫出來,。另外也可以使用數(shù)學的方法,，比如之前的階躍函數(shù)用兩個 Smoohstep，一正一反相乘,，就可以求得中間明暗交界的位置,，然后填充顏色?；蛘咭部梢允褂酶咚购瘮?shù),，也叫正態(tài)分布函數(shù)來選中明暗交界線區(qū)域過渡的位置。

最后是描邊,，描邊也叫輪廓邊,，早期描邊主要的作用是補充動畫中色塊的細節(jié)，把轉(zhuǎn)折的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來,，所以這個時候描邊叫做輪廓邊會更合適一點,。另外輪廓邊并不一定是黑色的,，在動畫的場景中輪廓邊大多以亮線的高光形態(tài)來表示，就像右圖中的亮線勾邊一樣,，人物上則一般是以黑色的輪廓線偏多一點,。

然后到現(xiàn)在的描邊除了強調(diào)主體這樣的用途之外，更多的就是承載風格化表現(xiàn)的特征了,。像《無主之地》這種就是直接將描邊作為自身的風格,。

常見的描邊方式有這幾種，前面說的邊緣光,，RimLight 也是可以作為內(nèi)描邊的一種,，而 Backface 和邊緣檢測是游戲中最常應(yīng)用的描邊，基于輪廓邊的檢測是離線渲染中經(jīng)常會使用到的方式,，本村氏線是一種特殊的描邊,，我也一起加到描邊方式里面了。

先說一下 Backface,。這種描邊方式是將物體渲染兩遍,，一次正面，一次背面,，背面渲染時向外擠出就可以獲得邊緣描邊了，值得一提的是法線是否合并會影響這種描邊的連續(xù)性,，所以經(jīng)常要去存一份平滑的法線數(shù)據(jù)來計算描邊,。

邊緣檢測是圖像處理的操作，通過算子對圖像卷積就可以獲得描邊,，常見的 Sobel 算子是行動卷積和,，這種方式在不同場景下的消耗比較統(tǒng)一。

另外對于卡通渲染來說,，我們會想要整潔的邊緣線,，對整個圖像進行邊緣檢測就會出現(xiàn)多余的描邊信息，所以常見的技巧就是會在邊緣檢測區(qū)域做不同色塊的純色填充,，這樣在進行邊緣處理時,，就可以得到右圖中這樣一個比較干凈的結(jié)果，就像右邊這個圖中,，上面的圖是對應(yīng)區(qū)域的色塊填充,，下面的圖是邊緣檢測的結(jié)果。

基于模型拓撲的輪廓邊檢測是離線渲染中經(jīng)常使用到的方式,，這種方式的消耗比較高,，但是可以獲得一些很風格化的表現(xiàn)。

最后就是本村線了,，這個裝備中分享的角色表面描邊的方法,，并不是外描邊,，它是將模型的 UV 打直，只繪制于垂直于 U 軸或者 V 軸的直線,，避免斜線線條的采樣問題,，從而獲得銳利的線條表現(xiàn)，就像左圖中對比一樣,，不過這種方式對模型的制作要求很高,，它的制作周期會比較長。

現(xiàn)在我們已經(jīng)快速過了一遍卡通渲染的基礎(chǔ)知識了,，那么運用這些知識,，我們就可以輕松的做出一個卡通渲染的角色了。不過想要提升角色的質(zhì)感,，還需要另外一塊拼圖,，那就是 PBR，這張圖是我在 Unity 中測試的效果,，使用的是《少女前線二》閃電姐的 MMD 模型,。

我們來開始進行第二個話題，就是基于 PBR 的卡通表現(xiàn),，基于物理的光照,，PBR 是對現(xiàn)實的還原，而 NPR 則是非真實感渲染,。雖然它們名稱上是對立的,，不過為了效果的提升，我們可以各取相關(guān)的特征縫合起來表現(xiàn)效果,。使用 PBR 的優(yōu)勢在于 PBR 是藝術(shù)導向的,，它能讓美術(shù)同學用直觀的參數(shù)，標準化的工作流,，快速的實現(xiàn)大量材質(zhì)的真實感渲染,，把 NPR 的特征遷移到 PPR 中，并且保留這種易用性就是我們的目標,。

但實際操作中由于卡通渲染的特征涉及非物理屬性的方面太多,，這種易用性是比較難以保持的，需要根據(jù)項目對不同的特征的參數(shù)進行取舍,。不過 PBR 所帶來的環(huán)境光照和 PBR 的質(zhì)感是比較容易保留的,。

左圖是 Unlit 的材質(zhì)，右圖是基于 PBR 魔改的 NPR,，混合 PBR 的 NPR 就可有一部分卡通效果,，同時也具有 PBR 的質(zhì)感了。

PBR 中存在的間接光照計算可以比較方便的適配不同環(huán)境下的光照表現(xiàn),。不管是夜晚,、白天,、森林或者是在其他的一些環(huán)境下，在不同的環(huán)境中都可以有對應(yīng)的光照反饋,，這對角色與環(huán)境的適配是十分有利的,。

眾所周知，PBR 是由直接光照與間接光照組成,，這里的黃色和橙色區(qū)域就是直接光的鏡面反射與漫反射,，綠色區(qū)域是間接光的鏡面反射與漫反射，藍色區(qū)域就是數(shù)據(jù)初始化的計算,。比如 NdotL ,、NDotV 這些。

這是這個典型的 PBR 是在不同的粗糙度與金屬度下的表現(xiàn),。

將 PBR 與卡通表現(xiàn)混合在一起的思路并不復雜,，簡單的來說將之前講述的特征插入到 PBR 的計算流程中就可以了。但是怎么混合兩者的特征,，在什么節(jié)點去插入計算,，這是一個見仁見智的事情，對于不同的風格,，不同的管線流程都會有不同的結(jié)論,。

我將對應(yīng)的卡通特征插入到 PBR 流程中，大概長這個樣子,，稍微有點兇殘,。當然了這個 shader 只是為了講解做的測試，項目制作中不會這樣用 ShaderGraph 直接做 PBR,。

首先是魔改 NPR 特征后 PBR 整體計算流程并沒有改變，依舊是直接光與間接光的鏡面反射和漫反射疊加,。下面就簡單來講述一下需要修改的部分,。

首先是藍色區(qū)域中數(shù)據(jù)初始化階段的處理，最主要的是對法線N進行的操作,，NDotL 和相關(guān)的應(yīng)用計算都可以在這里進行重新映射和合并,，比如二值化陰影，面部陰影,、頭發(fā)投影,、影貼圖之類的陰影相關(guān)的操作，然后把它們合入到 NDotL 的結(jié)果之中,。同時 NDotV 的控制也可以改變一部分菲尼爾的效果,。

之后來看黃色區(qū)域的 DFG 項，這里效果比較明顯的更改項就是法線分布函數(shù) D 項,，比如對 GGX 高光的范圍進行重新映射,，或者更改計算各項異性高光,，并且加入遮罩偏移之類的操作，然后是橙色區(qū)域的 diffuse 計算,，這個地方進行的操作,，基本上可以當做 emission 自發(fā)光來添加。

對于卡通渲染來說,，一些色彩混合操作需要在這里加入,，比如頭發(fā)、高光,，如果要使用顏色疊加的方式加入到計算結(jié)果中,，就像柔光、線性光這些操作就需要在這里加入了,，雖然不那么物理,，但是可以保證效果。

之后就是綠色區(qū)域的間接光部分了,，間接光的加入會顯著提高模型的質(zhì)感與立體感,，但是對于卡通渲染來說，立體感的提升并不一定是好事,，所以最直接的修改方式就是按照不同部分減少間接光的權(quán)重,，比如對皮膚、面部這些需要平面表現(xiàn)的部分去減少間接光的比例,。其他還有藍色協(xié)議使用了整體向上的法線,，計算統(tǒng)一顏色的間接光也是一種方式。

最后就是紫色區(qū)域了,，這里的計算是直接當作自發(fā)光來添加的,，比如說眼睛的高光，Matcap 反射,，邊緣光之類的,。經(jīng)過對 PBR 整體架構(gòu)的模改，我們就可以得到混合了 PBR 的卡通表現(xiàn),。這里它長這個樣子,，這是 PBR 魔改后在不同粗糙度和金屬度下的表現(xiàn)（下圖中右圖）。

和默認的 PBR 的對比,，因為自定義了陰影顏色和一些自發(fā)光的原因,，它整體會更加明亮一點，卡通渲染插入到 PBR 中,，并不會完全能量守恒,。

不過對于卡通渲染來說，很多不守恒的表現(xiàn)是可以接受的,。所以雖然并不完全能量守恒,，但是也適合于卡通渲染的表現(xiàn),。

這樣我們就有了混合 PBR 的 NPR 表現(xiàn)，之后就要為不同區(qū)域去定制對應(yīng)特征的 Shading Model 了,，比如頭發(fā),、眼睛、皮膚這些,。