【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

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）：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边 — 直接截图的Blender源文件打开的场景，侵删

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

他的取值会跟相机的Near和Far挂钩

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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：

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

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。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-406735.html

到了这里，关于【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！

【Unity URP】PBR转NPR风格化场景01：描边

1 模板测试实现描边

1.1 补一下Stencil的知识

1.2 双Pass描边原理

1.3 关于URP中的双Pass

URP渲染Pass的方式

查看RenderObjectsPass

查看DrawObjectsPass.cs

1.4 双Pass框架

1.5 2种外扩方式

模型空间下外扩

裁剪空间下外扩

1.6 重叠物体的渲染效果

1.7 超远距离的渲染效果

2 正面剔除实现描边

3 外扩法的不足

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