本文深入探讨了Unity中的卡通渲染技术，特别是BackFacing描边方法。首先介绍了卡通渲染的基本概念和NPR类型，接着详细阐述了通过两次绘制实现的BackFacing描边技术，包括如何处理摄像机距离导致的描边宽度变化问题，以及解决不光滑物体描边断边的优化策略。此外，还利用顶点色控制描边的粗细和颜色，进一步增强了描边效果。最后，文章总结了这一节的内容，并预告了后续将讨论的卡通渲染光照计算的实现方法。
序言：
一直对卡通渲染非常感兴趣，前后翻找了不少的文档，做了一些工作。前段时间《从零开始》的手游上线了，试着渲染了一下的其中模型，觉得效果很不错。打算写一个专栏记录其中的渲染技术。在后面的篇章中也想展示一下各个项目中卡通渲染技术的变迁，以及讨论未来的一些发展方向。
卡通渲染属于非真实感渲染(Non-photorealistic rendering，简称NPR)。对应的还有真实感渲染(Photorealistic rendering)。后者旨在渲染真实感的画面，而前者则追求更加有艺术感的画面效果，例如手绘风格的画面。
NPR也有各种各样的类型。比如像油画，铅笔画，水墨画风格的画面。这里主要探讨像日本动画那样的卡通渲染风格，目前一般称之为Cel Shading。卡通渲染在日本那边很早就在主机游戏上使用，经过了很多尝试和变迁，最终在《GUILTY GEAR Xrd》系列游戏达到了非常不错的水准。国内的厂商在吸收了日本同行的经验以后，也制作了非常好的作品，并且在此之上创新，提出了更多的解决方案。
说了很多，现在回归正题。描边是卡通渲染的一个非常重要的主题。目前比较流行的描边方法有两种，一个是通过两次绘制，一次绘制角色，一次绘制描边。还有一种是基于后处理的描边。基于后处理的描边相对不容易定制，比较适用于对复杂场景进行描边。这里讲述通过2次绘制来绘制描边的方法。在《GUILTY GEAR Xrd》中称其为Back Facing法。
Back facing描边法
基本思路是通过两次绘制，第一次绘制角色，第二次绘制描边。绘制描边的时候，在顶点着色器将顶点沿着法线方向位移一段距离，使得模型轮廓放大，渲染作为描边。同时描边绘制时使用cull front。这样描边和角色重叠的部分会因为不能通过深度检测而cull掉，保证描边不会遮挡角色。两次绘制颠倒顺序也是可以的，不过后绘制描边，可以通过深度检测过滤掉很多描边绘制的像素，效率会更好。这里先实现最简单的方法，然后逐步进行优化。
Shader
"Unlit/Ouline"
{
Properties
{
_OutlineWidth
(
"Outline Width"
,
Range
(
0.01
,
1
)
)
=
0.24
_OutLineColor
(
"OutLine Color"
,
Color
)
=
(
0.5
,
0.5
,
0.5
,
1
)
}
SubShader
{
Tags
{
"RenderType"
=
"Opaque"
}
pass
{
Tags
{
"LightMode"
=
"ForwardBase"
}
Cull Back
CGPROGRAM
#
pragma
vertex vert
#
pragma
fragment frag
#include
"UnityCG.cginc"
float4
vert
(
appdata_base
v
)
:
SV_POSITION
{
return
UnityObjectToClipPos
(
v
.
vertex
)
;
}
half4
frag
(
)
:
SV_TARGET
{
return
half4
(
1
,
1
,
1
,
1
)
;
}
ENDCG
}
Pass
{
Tags
{
"LightMode"
=
"ForwardBase"
}
Cull Front
CGPROGRAM
#
pragma
vertex vert
#
pragma
fragment frag
#include
"UnityCG.cginc"
half
_OutlineWidth
;
half4
_OutLineColor
;
struct
a2v
{
float4
vertex
:
POSITION
;
float3
normal
:
NORMAL
;
float2
uv
:
TEXCOORD0
;
float4
vertColor
:
COLOR
;
float4
tangent
:
TANGENT
;
}
;
struct
v2f
{
float4
pos
:
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