文/雷宇航

Hello 大家好，我是雷宇航，知乎上寫卡通渲染眼鏡篇和面部篇那個 MIZI，目前是網(wǎng)易的技術美術，非常榮幸受邀給大家?guī)砜ㄍㄤ秩镜姆窒怼?/span>

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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，后半部分內容我們就討論一下卡通渲染和 PBR 結合的問題，以及目錄中這些 Shading Model 中存在的 trick。

讓我們開始第一個話題，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大現(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，比如說《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，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)力是越來越廣，對于卡通渲染來說，不像 PBR 那樣有標準流程和衡量準則，卡渲很大程度上會依賴于美術方面的造型和色彩，所以美術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)境抽象的結合，不同人對卡通渲染概念理解不同，這就產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。然后我們就來看一下游戲開發(fā)者們?yōu)榱撕每吹目ㄍㄤ秩井嬅娑甲隽四男┡Γ?/span>

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，在美術上有對應的形態(tài)和色彩表現(xiàn)，就可以有卡通風格的感覺了。

首先是卡通渲染的基礎表現(xiàn)，下面先來快速過一遍卡通宣傳的基本技巧，這一段內容會比較簡單。

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，右邊是對應的光照結果，在給定的 a 值和 b 值之間會有一段平滑的過渡，蘭伯特計算結果，將蘭伯特的計算結果通過 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?！对瘛分械娜宋镞吘壍牧吝厬摼褪鞘褂昧诉@種方式。

明暗交界線是動畫中經常會出現(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。或者也可以使用高斯函數(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)，把轉折的結構表現(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 也是可以作為內描邊的一種，而 Backface 和邊緣檢測是游戲中最常應用的描邊，基于輪廓邊的檢測是離線渲染中經常會使用到的方式，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果，就像右邊這個圖中，上面的圖是對應區(qū)域的色塊填充，下面的圖是邊緣檢測的結果。

基于模型拓撲的輪廓邊檢測是離線渲染中經常使用到的方式，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)在我們已經快速過了一遍卡通渲染的基礎知識了，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 是藝術導向的，它能讓美術同學用直觀的參數(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 的質感是比較容易保留的。

左圖是 Unlit 的材質，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)境中都可以有對應的光照反饋，這對角色與環(huán)境的適配是十分有利的。

我用 Shader Graph 做了一個典型的 PBR 材質。

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論。

我將對應的卡通特征插入到 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 和相關的應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的操作，然后把它們合入到 NDotL 的結果之中。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。經過對 PBR 整體架構的模改，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)域去定制對應特征的 Shading Model 了，比如頭發(fā)、眼睛、皮膚這些。

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本文節(jié)選「Unity大咖作客」，分享內容為網(wǎng)易 TA 大咖雷宇航的《走近卡通渲染-關于 Trick 的兩三事》，完整內容請查看：

https://developer.unity.cn/projects/cel-shading-trick

游戲葡萄招聘產業(yè)記者/內容編輯，

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