写在前面
好久没写文章。最近在看《Real Time Rendering, third edition》这本书，看到了NPR这一章就想顺便记录下一些常见的轮廓线渲染的方法。
在非真实感渲染中，对轮廓线的渲染是一个应用非常广泛的手法。根据《Real Time Rendering, third edition》一书的总结，在这篇文章里介绍几种常见的渲染方法。当然，这里只是抛砖引玉，如果要用于实际项目中可能会根据需要进行完善。一些很好的效果可能需要去参考一些论文，这里不涉及那么深。
Surface Angle Silhouette方法
基本思想是，利用viewpoint的方向和surface normal的点乘结果得到轮廓线信息。这个值越接近0，说明离轮廓线越近。
在之前的中，描边技术就是使用了这种方法。
这个技术相当于使用一个Spherical environment map（EM）来对整个surface进行渲染。如下图所示（来源：《Real-time Rendering, third edition》）：
在实际应用中，我们通常使用一张一维纹理来模拟，即使用视角方向和顶点法向的点乘对该纹理进行采样。
实践
下面代码使用了两种方法来实现这种技术。一种方式是和中的方法一样，即使用一个参数_Outline来控制轮廓线宽度；另一种方式是使用了一张一维纹理来控制。
Shader “Silhouette/Surface Angle Sihouetting” {Properties {_MainTex (“Base (RGB)”, 2D) = “white” {}_Outline (“Outline”, Range(0,1)) = 0.4_SilhouetteTex (“Silhouette Texture”, 2D) = “white” {}}SubShader {Pass {Tags { “RenderType”=”Opaque” }LOD 200CGPROGRAMsampler2D _MainTex;float _Outline; sampler2D _SilhouetteTex;struct v2f {float4 pos : SV_POSITION; float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 worldLightDir: TEXCOORD2;float3 worldViewDir: TEXCOORD3;};v2f vert(appdata_full i) {v2f o;o.pos= mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex);o.uv = i.texcoord;o.worldNormal = mul(i.normal, (float3x3)_World2Object);o.worldLightDir = mul((float3x3)_Object2World, ObjSpaceLightDir(i.vertex));o.worldViewDir = mul((float3x3)_Object2World, ObjSpaceViewDir(i.vertex));TRANSFER_VERTEX_TO_FRAGMENT(o); return o;}fixed3 GetSilhouetteUseConstant(fixed3 normal, fixed3 vierDir) {fixed edge = saturate(dot (normal, vierDir)); edge = edge < _Outline ? edge/4 : 1;return fixed3(edge, edge, edge);}fixed3 GetSilhouetteUseTexture(fixed3 normal, fixed3 vierDir) {fixed edge = dot(normal, vierDir);edge = edge * 0.5 + 0.5;return tex2D(_SilhouetteTex, fixed2(edge, edge)).rgb;}fixed4 frag(v2f i) : COLOR {fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLigthDir = normalize(i.worldLightDir);fixed3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);fixed3 col = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb; // Use a constant to render silhouette //fixed3 silhouetteColor = GetSilhouetteUseConstant(worldNormal, worldViewDir);// Or use a one dime silhouette texturefixed3 silhouetteColor = GetSilhouetteUseTexture(worldNormal, worldViewDir);fixed4 fragColor;fragColor.rgb = col * silhouetteColor;fragColor.a = 1.0;return fragColor;}ENDCG}}FallBack “Diffuse”}
上面使用了纯色进行颜色渲染，没要考虑光照效果。 下图中仅显示使用一维纹理控制的效果。模型中，左右两边的模型是low polygon类型的模型，即表面比较平坦；中间膜型就表面曲率变化就比较平滑了。
使用的纹理如下：
可以看出来对于左右模型这样的模型，这种方法的轮廓效果很难控制。有的地方轮廓很宽，有的地方却又捕捉不到
优点
这种方法非常简单快速我们可以在一个pass里就得到结果，而且还可以使用texture filtering对轮廓线进行抗锯齿。
缺点
有很多局限性，只适用于某些模型，而对于像cube这样的模型就会有问题。虽然我们可以使用一些变量来控制轮廓线的宽度（如果使用纹理的话就是纹理中黑色的宽度），但实际的效果是依赖于表面的曲率（curvature）的。对于像cube这样表面非常平坦的物体，它的轮廓线会发生突变，要么没有，要么就全黑。
游戏《Cel Damage》的作者Wu发现，在他们的游戏中，这种技术只适用于1/4的模型。可以看出，这种技术局限性还是很大的。
Procedural Geometry Silhouette方法
这种技术的核心是用两个pass渲染。第一个pass中正常渲染frontfaces，第二个pass中在渲染backfaces，并使用某些技术来让它的轮廓可见。
在卡通风格的Shader（二）中，我们使用的就是这种思想。
当然，渲染背面的方法有很多，上面博文中只是使用了其中一种，即沿着顶点法线方向移动backfaces中的顶点，这种方法也被称为shell or halo method。
下面列举一些渲染背面的方法：
方法一：只渲染backfaces的edges（可以理解成把渲染模式设置为DRAW_EDGE），然后使用一些biasing等技术来保证这些线会在frontfaces的前面渲染。
依赖别人的人等于折断了自己的翅膀，永远也体会不到飞翔的快乐。
