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# 实用库
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`#include "/Engine/Private/Random.ush"`
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`#include "/Engine/Private/SobolRandom.ush"`
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# 眼睛
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眼睛焦散：
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## 凹模型
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直接贴图即可。
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折射
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模型高光
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## 凸模型
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1. 使用视差贴图来控制瞳孔效果 + 折射模拟
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```
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float2 viewL = mul(viewW, (float3x2) worldInverse);
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float2 offset = height * viewL;
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offset.y = -offset.y;
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texcoord -= parallaxScale * offset;
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```
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2. Physically based refraction
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```c++
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// 角膜区域突起的模型
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// Alternatively, use a displacement map
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// height = max(-positionL.z – eyeIrisDepth, 0.0);
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// 球形模型
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// Plot[Max[1.0 - 18.4 * r * r, 0.0], {r, 0, 0.3}]
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height = anteriorChamberDepth * saturate( 1.0 - 18.4 * radius * radius );
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// refractedW
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float w = n * dot( normalW, viewW );
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float k = sqrt( 1.0 + ( w - n ) * ( w + n ) );
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float3 refractedW = ( w - k ) * normalW - n * viewW;
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float cosAlpha = dot(frontNormalW, -refractedW);
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float dist = height / cosAlpha;
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float3 offsetW = dist * refractedW;
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float2 offsetL = mul(offsetW, (float3x2) worldInverse);
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texcoord += float2(mask, -mask) * offsetL;
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```
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代码中首先计算了height，即前房的高度，PPT中height有两种计算方式，分别对应两种眼睛的模型结构，对应的结构写在注释中了。
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然后计算了refracted，这个是rtr中快速拟合的计算方法，n是空气与介质折射率的比值，关于refracted的推论可以参考：
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YivanLee：虚幻4渲染编程(人物篇)【第三卷：Human Eye Rendering】
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[129 赞同 · 12 评论文章](https://zhuanlan.zhihu.com/p/151786832)
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最后一段，先通过frontNormalW与refractedW的点积计算出α角的cos值（上图中的α应该是标识错误，α是-refractedW与frontNormalW的夹角）。然后已知height，通过比值可以计算出refractedW的模长dist。offsetW即为完整的refractedW向量。最后转换到本地空间，乘上眼睛的Mask，加到原本的UV上。
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之后就是使用偏转后的UV去采样贴图了。
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与视差相同，这里也是在本地与世界空间中进行的计算，同样会有轴向问题，主要是normalW、viewW和frontNormalW参与的计算，normal与view可以转换到切线空间计算，而frontNormalW代表的是模型向前的朝向，这个必须要指定，不过图方便的话，把frontNormalW改成切线空间法线也不是不可以。
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### 多层复合模型
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樱花大战cedec2020分享：https://blog.ch-wind.com/cedec2020-new-sakura-wars-note/
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>本作的眼睛分为三个部分，眼白的部分是一个内凹的形状，瞳孔的部分则分为了向内凹的部分和向外突出的部分。
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>瞳孔的高光叠加在其突出的半透明部分上。根据摄像角度的不同，各个部分的贴图会分开进行移动，使得在哪个角度高光都能处在一个刚好的位置。
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控制上，有针对高光上下左右的移动强度与控制移动范围的参数共同作用。
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>从左边开始，是作为基础颜色的Albedo，以及用于Mask瞳孔的Alpha贴图，用于在Albedo上进行叠加的spt贴图，以及两张瞳孔高光，以及反应环境的matcapture贴图。
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虽然很多动画风格的渲染中会省略掉瞳孔中的虹彩部分，但是本作为了提高角色靠近时的效果，进行了详细的绘制，同时为了体现环境的变化与matcap的贴图进行叠加。
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高光贴图有两张，分别使用不同的UV动画进行控制，用于表现眼睛的湿润感。虽然是很细微的操作，但是对于表现角色的感情非常的有用。
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SunnySideUp UnityChan
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### 其他效果实现
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#### 眼睛高光效果
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1. 贴图高光。使用事先绘制的高光形状贴图，贴到最外面的。并且使用ViewDirection来控制。设定4个UV Coord, 根据 View=》眼睛的本地坐标系=》Normalize后的向量进行插值。
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2. ~~PBR的思路~~
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#### Matcap反射效果
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Matcap材质+球形法线贴图
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```c++
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float3 NormalBlend_MatcapUV_Detail = viewNormal.rgb * float3(-1,-1,1);
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float3 NormalBlend_MatcapUV_Base = (mul( UNITY_MATRIX_V, float4(viewDirection,0)).rgb*float3(-1,-1,1)) + float3(0,0,1);
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float3 noSknewViewNormal = NormalBlend_MatcapUV_Base * dot(NormalBlend_MatcapUV_Base, NormalBlend_MatcapUV_Detail) / NormalBlend_MatcapUV_Base.b - NormalBlend_MatcapUV_Detail;
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float2 ViewNormalAsMatCapUV = noSknewViewNormal.rg * 0.5 + 0.5;
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#### 焦散效果
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>焦散的表现反倒简单了，直接画在眼睛贴图上都可以，考虑到卡通表达的自由性，焦散是否存在与焦散的形状都可以没有限制，只要好看就行。
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下图也是miHoYo的分享，可以简单的理解为直接贴张Mask上去，然后用光照方向和菲涅尔去影响强度变化。
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使用Mask贴图、NoL与菲尼尔来控制
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# 其他游戏方案
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* [蓝色协议](/document/UrealEngineNPR渲染实现/蓝色协议的方案.html)
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# 大致方案
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- 主要分为在材质编辑器中完成大部分渲染
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- 传递少量参数到Lighting阶段并进行光照计算
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- 以上两者结合
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## 待实现功能
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- [ ] 顶点色控制Outline宽度，使用顶点色G。
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- [ ] 使用[罪恶装备中的lightmap](#lightmap) 控制高光的区域和阈值，包括顶点色可以精准控制高光的强度。
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## 具体实现
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### 全局设置实现
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AWorldSettings存储于ULevel中。可以通过Project Settings->Engine->General Settings->Default Classes来修改成其他的类作为默认类。
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```c#
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[/Script/Engine.Engine]
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WorldSettingsClassName=/Script/MySpiffyGame.MySpiffyGameWorldSettings
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```
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C++中修改Settings类：`void ULevel::SetWorldSettings(AWorldSettings* NewWorldSettings)`或许可以考虑子系统。
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### Shader与管线变量添加
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```c#
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shadowAttenuation = mainLight.shadowAttenuation;
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float _SystemShadowsLevel_var = (shadowAttenuation*0.5)+0.5+_Tweak_SystemShadowsLevel > 0.001 ? (shadowAttenuation*0.5)+0.5+_Tweak_SystemShadowsLevel : 0.0001;
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float Set_FinalShadowMask = saturate((1.0 + ( (lerp( _HalfLambert_var, _HalfLambert_var*saturate(_SystemShadowsLevel_var), _Set_SystemShadowsToBase ) - (_BaseColor_Step-_BaseShade_Feather)) * ((1.0 - _Set_1st_ShadePosition_var.rgb).r - 1.0) ) / (_BaseColor_Step - (_BaseColor_Step-_BaseShade_Feather))));
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```
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Ramp相关变量
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- shadowAttenuation 默认为1（方向光没有这个参数）与 Tweak_SystemShadowsLevel，先暂时合并为HalfLambertFix
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- Step
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- Feather
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Shader开关变量
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- Is_LightColor_BaseColor：BaseColor是否受到LightColor影响
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- Is_LightColor_ShadeColor：1st_ShadeColor是否受到LightColor影响
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FViewUniformShaderParameter添加数据
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-
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### 顶点色
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用于存储一些低精度数据，插值即可
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- R:
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- G:描边宽度
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- B:
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蓝色协议的R:阴影区域标记 与 B:Ao，而罪恶装备使用贴图来传递信息。
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### lightmap
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,G为阴影控（AO），R为高光强度参数，金属和光滑材质的部分设置的更大一些。B通道：用于照明控制。最大值为高光，反之，值越小高光越淡。
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/360229590一文中介绍了崩坏3与原神的计算方式
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崩坏3的LightMap计算方式：
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```c++
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half4 baseColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.uv.xy);
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half4 LightMapColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_LightMap, sampler_LightMap, input.uv.xy);
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half3 ShadowColor = baseColor.rgb * _ShadowMultColor.rgb;
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half3 DarkShadowColor = baseColor.rgb * _DarkShadowMultColor.rgb;
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//如果SFactor = 0,ShallowShadowColor为一级阴影色,否则为BaseColor。
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float SWeight = (LightMapColor.g * input.color.r + input.lambert) * 0.5 + 1.125;
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float SFactor = floor(SWeight - _ShadowArea);
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half3 ShallowShadowColor = SFactor * baseColor.rgb + (1 - SFactor) * ShadowColor.rgb;
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```
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二级阴影计算:
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```c++
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//如果SFactor = 0,DarkShadowColor为二级阴影色,否则为一级阴影色。
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SFactor = floor(SWeight - _DarkShadowArea);
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DarkShadowColor = SFactor * (_FixDarkShadow * ShadowColor + (1 - _FixDarkShadow) * ShallowShadowColor) + (1 - SFactor) * DarkShadowColor;
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// 平滑阴影边缘
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half rampS = smoothstep(0, _ShadowSmooth, input.lambert - _ShadowArea);
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half rampDS = smoothstep(0, _DarkShadowSmooth, input.lambert - _DarkShadowArea);
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ShallowShadowColor.rgb = lerp(ShadowColor, baseColor.rgb, rampS);
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DarkShadowColor.rgb = lerp(DarkShadowColor.rgb, ShadowColor, rampDS);
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//如果SFactor = 0,FinalColor为二级阴影，否则为一级阴影。
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SFactor = floor(LightMapColor.g * input.color.r + 0.9f);
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half4 FinalColor;
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FinalColor.rgb = SFactor * ShallowShadowColor + (1 - SFactor) * DarkShadowColor;
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```
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**罪恶装备**：
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对阴影判断阈值的偏移。（见前面着色部分，顶点AO+手绘修正）
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G : 轮廓线根据与相机的距离扩大多少的系数
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B : 等高线 Z 轴偏移值
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A : 轮廓厚度系数。0.5为标准，1为最大厚度，0为无等高线
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### 描边
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**蓝色协议**：
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1. 使用Sobel过滤器进行深度检测描边。
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2. 使用Sobel过滤器进行Id图检测描边。
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3. 使用Sobel过滤器进行Normal检测描边。用于处理一些难以分ID，深度差又很小的地方，通过获取周围点法线求点乘的方式判断出轮廓。![[08-Assets/Images/ImageBag/UrealEngineNPR/蓝色协议_Normal检测描边.png)
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4. 预先画好的轮廓（GBuffer）。
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所以使用需要 OutlineId、OutlineWidth（感觉可以传递一个全局Outline信息贴图再通过ID查表来获取，但只能在角色较少时使用）、OutlinePaint 、OutlineZShift（个人感觉不需要）
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### 边缘光
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### RimLighting
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### 接触阴影
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### 面部阴影
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使用Face ShaderModel，修改法线。描边使用ObjectPivot 缩放进行扩边。
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### 后处理
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FSceneView存储FFinalPostProcessSettings FinalPostProcessSettings，场景的后处理信息。
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FBloomOutputs AddBloomPass(FRDGBuilder& GraphBuilder, const FViewInfo& View, const FBloomInputs& Inputs)
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# GBuffer
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```c#
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OutGBufferA = WorldNormal/PerObjectGBufferData
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OutGBufferB = Metallic/Specular/Roughness/EncodeShadingModelIdAndSelectiveOutputMask(GBuffer.ShadingModelID, GBuffer.SelectiveOutputMask);
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OutGBufferC = BaseColor/GBufferAO
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OutGBufferD = GBuffer.CustomData;
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OutGBufferE = GBuffer.PrecomputedShadowFactors;
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```
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```c#
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GBufferB:Metallic/Specular/Roughness=>ToonHairMask OffsetShadowMask/SpcularMask/SpecularValue
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OutGBufferD = CustomData.xyzw=》ShaderColor.rgb/NoL
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OutGBufferE = GBuffer.PrecomputedShadowFactors.xyzw=》 /RimLightMask/DiffuseOffset/RimLightWidth
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OutGBufferF = velocity => OutlineWidth/OutlineID/OutlinePaint/OutlineZShift
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```
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```
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| GBuffer | 表头 |
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| -------- | ------------------------------------------------------------------------------------- |
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| GBufferB | OffsetShadowMask SpcularMask SpecularValue EncodeShadingModelIdAndSelectiveOutputMask |
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| GBufferD | ShaderColor.rgb NoL |
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| GBufferE | |
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| GBufferF | ID |
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## BaseColor与ShadowColor
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- 原神里ShadowColor还会接收其他物体的阴影投射，没有自投影;蓝色协议可能也没有自投影。
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BaseColor与ShadowColor的过渡需要Step、Feather、Offset等参数，可以直接制作一个HalfLambert的渐变贴图之后使用View传递。因为有多个贴图所以还需要ID贴图指定。但这样需要考虑一个问题：
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- 一个物体上的同一个ID区域的BaseColor与ShadowColor是否都是一样的
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- 如果不一样就需要再传递一个ShadowColor.rgb到GBuffer里。
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- 不管如何手绘的补充暗部也是需要加到GBuffer中的
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这决定传递到View里面的渐变贴图是彩色还是暗色
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### 预计算贴图方案（构想）
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Toon渲染一般会使用HalfLambda。之后使用Feather、Step等参数对过渡边界进行调整
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使用 渐变贴图查表来实现 渐变、二阶化。以此代替羽化、step等参数。
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使用ID贴图指定，或者通过BaseColor值来查询？
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## 高光
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- PBR高光（使用Roughness控制是否可行？是否需要传入GBuffer一个Mask贴图）
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- 自定义高光：高光贴图、高光颜色、参数化高光形状、多层高光
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## 描边
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- 原神的描边好像是后处理
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- 蓝色协议
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![[08-Assets/Images/ImageBag/UrealEngineNPR/原神_描边.png]]
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![[08-Assets/Images/ImageBag/UrealEngineNPR/原神截图_描边.png]]
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TODO：考虑使用顶点色来控制宽度，使用顶点色G
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## 多光源
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主方向光：提供照明与Shadow,其他光只提供照亮效果。
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![[08-Assets/Images/ImageBag/UrealEngineNPR/原神截图_光照.png]]
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## 有关眉毛、表情需要使用 模板功能
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UTS使用模板
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![[08-Assets/Images/ImageBag/UrealEngineNPR/UTS表情.png]]
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![[08-Assets/Images/ImageBag/UrealEngineNPR/UTS表情_StencilOut.png]]
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![[08-Assets/Images/ImageBag/UrealEngineNPR/UTS表情_StencilMask.png]]
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Stencil
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{
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Ref[_StencilNo] //设置渲染的模板缓存值，0~255
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Comp[_StencilComp] //模板测试的通过条件，有除了equal，还有Greater、Less、Always、Never等，类似ZTest。
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Pass[_StencilOpPass] //表示通过模板测试和Z测试（注意是都通过）的像素，怎么处置它的模板值。
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Fail[_StencilOpFail] //表示通过了模板测试但没通过Z测试的像素，怎么处置它的模板值。
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}
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_UTS_StencilMode mode = (_UTS_StencilMode)(material.GetInt(ShaderPropStencilMode));
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switch (mode)
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{
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case _UTS_StencilMode.Off:
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// material.SetInt(ShaderPropStencilNo,0);
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material.SetInt(ShaderPropStencilComp, (int)_StencilCompFunction.Disabled);
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material.SetInt(ShaderPropStencilOpPass, (int)_StencilOperation.Keep);
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material.SetInt(ShaderPropStencilOpFail, (int)_StencilOperation.Keep);
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|
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break;
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case _UTS_StencilMode.StencilMask:
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|
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// material.SetInt(ShaderPropStencilNo,0);
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|
|
material.SetInt(ShaderPropStencilComp, (int)_StencilCompFunction.Always);
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|||
|
|
material.SetInt(ShaderPropStencilOpPass, (int)_StencilOperation.Replace);
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|||
|
|
material.SetInt(ShaderPropStencilOpFail, (int)_StencilOperation.Replace);
|
|||
|
|
break;
|
|||
|
|
case _UTS_StencilMode.StencilOut:
|
|||
|
|
// material.SetInt(ShaderPropStencilNo,0);
|
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|
|
material.SetInt(ShaderPropStencilComp, (int)_StencilCompFunction.NotEqual);
|
|||
|
|
material.SetInt(ShaderPropStencilOpPass, (int)_StencilOperation.Keep);
|
|||
|
|
material.SetInt(ShaderPropStencilOpFail, (int)_StencilOperation.Keep);
|
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|
|
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break;
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}
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```
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七大罪中使用使用了深度测试 Greater Equal.(默认是 less Equal)。但这个方式可能在UE4里不太行，因为UE4的深度测试是全局的？
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这个应该需要创建一个MeshProcessor来实现：
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```c#
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FSingleLayerWaterPassMeshProcessor::FSingleLayerWaterPassMeshProcessor(const FScene* Scene, const FSceneView* InViewIfDynamicMeshCommand, const FMeshPassProcessorRenderState& InPassDrawRenderState, FMeshPassDrawListContext* InDrawListContext)
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: FMeshPassProcessor(Scene, Scene->GetFeatureLevel(), InViewIfDynamicMeshCommand, InDrawListContext)
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, PassDrawRenderState(InPassDrawRenderState)
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{
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if (SingleLayerWaterUsesSimpleShading(Scene->GetShaderPlatform()))
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{
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// Force non opaque, pre multiplied alpha, transparent blend mode because water is going to be blended against scene color (no distortion from texture scene color).
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FRHIBlendState* ForwardSimpleWaterBlendState = TStaticBlendState<CW_RGBA, BO_Add, BF_One, BF_InverseSourceAlpha>::GetRHI();
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PassDrawRenderState.SetBlendState(ForwardSimpleWaterBlendState);
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}
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}
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//默认是CF_DepthNearOrEqual，做这个效果可能就要使用CF_DepthFartherOrEqual
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void SetupBasePassState(FExclusiveDepthStencil::Type BasePassDepthStencilAccess, const bool bShaderComplexity, FMeshPassProcessorRenderState& DrawRenderState)
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{
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DrawRenderState.SetDepthStencilAccess(BasePassDepthStencilAccess);
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if (bShaderComplexity)
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{
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// Additive blending when shader complexity viewmode is enabled.
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DrawRenderState.SetBlendState(TStaticBlendState<CW_RGBA, BO_Add, BF_One, BF_One, BO_Add, BF_Zero, BF_One>::GetRHI());
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// Disable depth writes as we have a full depth prepass.
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DrawRenderState.SetDepthStencilState(TStaticDepthStencilState<false, CF_DepthNearOrEqual>::GetRHI());
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}
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}
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```
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设置位置在于FXXXPassMeshProcessor::Process()中的SetDepthStencilStateForBasePass()中。需要bMaskedInEarlyPass为false，GetDepthStencilAccess为DepthRead。
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```c#
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const bool bMaskedInEarlyPass = (MaterialResource.IsMasked() || Mesh.bDitheredLODTransition) && MaskedInEarlyPass(GShaderPlatformForFeatureLevel[FeatureLevel]);
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if (bEnableReceiveDecalOutput)
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{
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// Set stencil value for this draw call
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// This is effectively extending the GBuffer using the stencil bits
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const uint8 StencilValue = GET_STENCIL_BIT_MASK(RECEIVE_DECAL, PrimitiveSceneProxy ? !!PrimitiveSceneProxy->ReceivesDecals() : 0x00)
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| STENCIL_LIGHTING_CHANNELS_MASK(PrimitiveSceneProxy ? PrimitiveSceneProxy->GetLightingChannelStencilValue() : 0x00);
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if (bMaskedInEarlyPass)
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{
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DrawRenderState.SetDepthStencilState(TStaticDepthStencilState<
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false, CF_Equal,
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true, CF_Always, SO_Keep, SO_Keep, SO_Replace,
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|
false, CF_Always, SO_Keep, SO_Keep, SO_Keep,
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|||
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|
0xFF, GET_STENCIL_BIT_MASK(RECEIVE_DECAL, 1) | STENCIL_LIGHTING_CHANNELS_MASK(0x7)
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>::GetRHI());
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DrawRenderState.SetStencilRef(StencilValue);
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}
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else if (DrawRenderState.GetDepthStencilAccess() & FExclusiveDepthStencil::DepthWrite)
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{
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DrawRenderState.SetDepthStencilState(TStaticDepthStencilState<
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true, CF_GreaterEqual,
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true, CF_Always, SO_Keep, SO_Keep, SO_Replace,
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|||
|
|
false, CF_Always, SO_Keep, SO_Keep, SO_Keep,
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|||
|
|
0xFF, GET_STENCIL_BIT_MASK(RECEIVE_DECAL, 1) | STENCIL_LIGHTING_CHANNELS_MASK(0x7)
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>::GetRHI());
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|||
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DrawRenderState.SetStencilRef(StencilValue);
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}
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|
else
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{
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|
DrawRenderState.SetDepthStencilState(TStaticDepthStencilState<
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|||
|
|
false, CF_GreaterEqual,
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|||
|
|
true, CF_Always, SO_Keep, SO_Keep, SO_Replace,
|
|||
|
|
false, CF_Always, SO_Keep, SO_Keep, SO_Keep,
|
|||
|
|
0xFF, GET_STENCIL_BIT_MASK(RECEIVE_DECAL, 1) | STENCIL_LIGHTING_CHANNELS_MASK(0x7)
|
|||
|
|
>::GetRHI());
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|||
|
|
DrawRenderState.SetStencilRef(StencilValue);
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|||
|
|
}
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|||
|
|
}
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|
else if (bMaskedInEarlyPass)
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{
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DrawRenderState.SetDepthStencilState(TStaticDepthStencilState<false, CF_Equal>::GetRHI());
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}
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# toonshading技术拆解
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{% simplemindmap %}
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```
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- toonshading技术拆解
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- 描边
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- 外描边：后处理描边 、 Mesh挤出 2种方式，原神采用了Mesh挤出。
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- 内描边：后处理、SDF描边、本村线 3种方式
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- 使用Mesh基础、后处理、模型绘制。（后处理传递Id贴图）
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- 分阶着色
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- 二阶化：
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- 多阶化：
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- 自定义次表面（暗部）颜色
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- 颜色过渡（羽化）：
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- lut：待讨论
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- 高光
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- 高光贴图
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- 高光颜色
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- 参数化高光形状
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- 多层高光
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- 阴影
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- 自定义阴影颜色
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- 自定义阴影范围
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- 自定义阴影形状
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- 阴影过渡（sdf阴影）
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- 边缘光
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- 边缘光是否受到光照影响
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- 多层边缘光
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- 边缘光衰减（入射角度更明显 or 背光角度更明显）
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- 多光源支持
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- PBR支持
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- PBR和NPR混合
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- AO
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- matcap支持
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- 根据相机角度调整模型（非必要）
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- Shader内编辑法线
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- N=_scale * L + N
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- 眼睛
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- 反射 环境反射或者matcap支持
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- 内阴影 AO实现或者画死的内阴影
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- 瞳孔 瞳孔缩放
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- 视差和效果 凹凸效果
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- 高光 自定义高光形状&位置
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- 高光流动效果
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- 头发
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- 各项异性头发
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- 高光扰动
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- 高光贴图
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- 自定义高光属性
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- 高光天使环
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- 无各项异性头发
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- 自定义高光参数
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- 高光贴图
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- 高光天使环
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- 特殊效果
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- 眉毛/睫毛不受遮挡
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- 自发光
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- 阴影内素描效果
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- 额外效果
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- 后处理 辉光效果
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- 之后提到了SunFlare，应该是那个屏幕后处理效果。卡通渲染很依赖体积光，所以自然会有好的效果，假也没关系，假才是对的。谷歌搜SNN Filter https://www.shadertoy.com/view/MlyfWd
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- 旁边的Kuwahara应该是个类似的算法，64采样。
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```
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{% endsimplemindmap %}
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