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[技术] 使用Shader Graph实现《塞尔达传说:旷野之息》风格的着色器

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发表于 2018-10-19 04:00:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
Unity的技术经理Ciro Continisio在Connect上分享创作模仿任天堂游戏《塞尔达传说:旷野之息》角色风格的着色器,受到不少用户的关注,本文将在分享制作该着色器的方法。

01.gif


说明事项:
1、该着色器使用Shader Graph着色器视图制作。
2、使用了全新的轻量级渲染管线LWRP
3、由于目前LWRP和Shader Graph着色器视图仍处于早期阶段,各自存在一些限制,本文将讲解如何使用技巧来解决这些限制问题。
4、受客户端所限制,为了方便大家更好阅读理解,本文中着色器完整视图图片提供了下载,请在文末获得下载地址

目标
我打算实现二个层级的着色器,它带有强光和阴影。我要以二种方法支持镜面光照:头发使用简单的颜色面片实现,而皮肤要通过画笔描边来定义。

你可以在下图看到二种方法的不同,塞尔达的衣服呈现了特有的画笔描边效果,而她的头发上的高光只是明亮颜色的硬块。

02.png
希望实现的着色示例效果


我还想实现面向太阳时出现的边缘光照效果,以及当光线在特定角度时出现的几乎全白的边缘,请注意图中塞尔达的耳朵、手指和右臂。

最后,我想支持高光、法线和发射贴图。

视图流程
下图是视图流程的概述,所有重要部分都根据功能用方块突出显示。

03.png


左侧的TangentToWorld节点不是自定义节点,而是一个SubGraph。因为当时Transform节点存在bug,所以我必须使用SubGraph重新实现转换,从切线空间转为世界空间。

该节点内容如下图所示。

04.png
TangentToWorld SubGraph


让我们返回该视图,如我们所见视图从左到右,从几何体的法线开始处理,它混合了来自图中紫色方框Normal map部分的法线。法线定义了表面的方向性,对计算光照非常重要。

然后来到黄色方框Lighting部分,使用自定义节点从场景的主定向光获取光照数据。

为了创建着色效果,我计算了二个向量的数量积,即光的方向和法线。通过使用Smoothstep节点获得该遮罩,它看起来是带有硬边缘的黑色和白色。

除了作为模型实际的光线和阴影外,该遮罩还用于遮蔽高光和和镜面反射。可以看到,从Smoothstep节点中心分出了三个分支。

镜面高光和画笔效果
视图下方是蓝色方框Specular,我获得了视线和光线方向的半个向量,然后使用该向量来计算镜面的遮罩。在此阶段中,我使用了非常简单的Blinn-Phong着色模型。

我不认为该模型的实现是最完美的,但足以满足演示本项目,该效果取决于光线和视线角度,你也可以自行调整该实现。

然后,我使用这个遮罩来裁剪屏幕空间纹理,创建画笔轻触效果,即上半部分的Paint brush部分;还使用了该遮罩的原本功能,处理头发部分面片形状的镜面效果,即下半部分的Patch部分。为了切换使用这二个功能,我暴露了名为UseSpecularDabs的属性,通过分支节点验证该属性。

06.png


这个部分也是支持镜面贴图的关键部分,可以使金属物品看起来更有光泽,例如:皮肤或木材。

使用边缘效果实现有趣的反差
视图顶部的青色方框Rim highlights,在这里,我使用预制的Fresnel Effect节点,但我仍然使用了光线和视线方向的数量积来过滤该节点,这样做会得到只在对象面向光线时出现的边缘。

当对象背对着阳光或夕阳时,你知道观察此时该对象会得到什么效果吗?

对象会完全被黑暗掩盖。而通过加入该节点,角色会得到彩色的轮廓,即使这样的效果不现实。这是个伪造的效果,但它让角色看起来更有趣。

效果如下图所示。

05.jpg


Fresnel节点连接到了二个Step,这是为什么呢?

下方的Step效果能在黑暗区域出现并重写这些区域,实现前面提到的“夕阳”效果。本示例中,光线没有人为加强,你会得到完全被阳光照射时的颜色。上图中角色身体和脸部轮廓可以看到该效果。

07.png


顶部部分呈现了白色轮廓,可以从特定角度观察到,它只出现在已经受光的区域。所以该部分与表示卡通效果的Smoothstep相乘,所以它不会在黑暗区域呈现。Step函数偏移了0.2,这意味着该效果只会出现在靠近形状边缘的位置,使二个效果可以共存和重叠。

上图中女孩的手套上能清楚地看到该效果,手套几乎是全白色。

Master节点:合并所有节点
视图的剩余部分比较简单,你可以看到不同组件如何合并到着色器的“主干”,用红色表示,它最后会链接到Master节点,即右边的最后一个节点,这部分我只使用了一个技巧。

Shader Graph着色器视图如今支持二种类型的Master节点:PBR和Unlit。理想情况下,Unlit节点很适合卡通着色器,因为我要自己计算颜色。但由于我想要得到阴影,而无光照着色器不会默认获取阴影,所以我不得不使用PBR节点。如果以后Unity加入新的Master节点类型,我可能会修改Master节点类型。

08.png


PBR Master节点可以带来预制光照模型,适用于逼真的材质。然而,我不需要该模型,我只需要阴影而已。如果使用反照率的话,光线会再乘以已计算的颜色,这不是想要的效果,我想在视图中自行控制颜色。所以我没有使用反照率,我将反照率设为黑色,所以该材质没有得到任何PBR效果。

那么我是如何控制颜色的呢?答案是使用发射。这会带来额外问题:Emission槽需要同时充当反照率、镜面反射、金属度和发射。

发射是最难处理的:我需要计算所有着色器,将发射看作反照率,在最后为顶部添加发射值,不管它是单个值还是纹理,然后缩放它的大小,使不应具有发射效果的部分不被获取,例如:被Bloom屏幕过滤器获取。

实现该平衡的过程很麻烦,而且也不完美,但它让我得到了想要的效果:卡通风格的颜色、发射支持和自阴影。

资源下载
我很满意此次实践得到的结果,我也希望你喜欢该着色器和这篇文章。

我决定不分享视图的ShaderGraph文件,如果我分享了该文件,你会直接将它放到自己的游戏中,这样学不到任何知识。所以我将提供完整大小的着色器视图图片,你可以放大查看图片,了解所有节点和属性的细节。

当你重建该视图的话,你会学习到Shader Graph着色器视图的很多知识,了解这样的效果为什么能够实现。

完整大小的着色器视图图片地址:
https://pan.baidu.com/s/1nLIgow13HxdUzYhFUbovrw

本文中关于Blinn-Phong模型的信息,请访问:
https://paroj.github.io/gltut/Il ... nPhong%20Model.html

结语
可视化编程工具Shader Graph的出现,帮助更多开发者,美术等,进行可视化的着色器构建,不必手工编写代码.我们希望以这个着色器为示例帮助你更好理解和使用着色器视图Shader Graph。

更多Unity技术文章介绍尽在Unity官方中文论坛(UnityChina.cn)!

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发表于 2018-10-19 04:04:23 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-19 09:07:43 | 显示全部楼层
come on!

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发表于 2018-10-22 06:11:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 yueyutu 于 2018-10-22 07:12 编辑

请问一下我用2018.3.0b5版, main light custom node里面是怎么写的。

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发表于 2018-10-23 02:01:04 | 显示全部楼层
非常详细,大图已下

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发表于 2018-10-25 02:11:49 | 显示全部楼层
请问这个Main Light的节点的细节是怎么的,Shader Graph如何获取场景中的光源方向,衰减和颜色的呢?

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发表于 2018-11-10 09:15:00 | 显示全部楼层
main lighting通用节点可以去作者的connect看另一篇文章
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