Unity URP卡通渲染包

最近工作之余抄了一个卡渲，结果越做感觉越没意思，主要是缺少一些美术资源，于是先pending，在此先记录一下

当前进度

代码已开源，仓库地址

设计理念

高复用，易拓展，低侵入

我遇到了什么问题

每次我要写Unity shader时，我都要不厌其烦地写

Shader GUI、Properties
定义贴图和采样器，定义全局变量
维护CBuffer，尤其是SRP batcher
几乎一模一样的Vertex函数
大量贴图采样，参数初始化
照抄的渲染方程和灯光Loop

我一直认为，大部分情况，都不应该写Shading Function，这些BRDF是渲染的基石，是必须要用有科学依据、有论文支撑、经过行业验证的方案，而每次都自行写渲染方程，很容易产生错误

此外为了实现材质的多光源，渲染方程中会有大量的灯光着色Loop，他们代码十分重复，如果直接展开在片源函数中，很容易漏维护（比如只更新了主方向光的代码，其他的都没管）

因此我认为，应当将渲染方程视为黑盒，用户在定义材质shader时只需要收集数据，传入方程

高可复用

类似URP的UniversalFragmentPBR，我定义了一个float4 ToonFragment(inputData, surfaceData, input.uv)函数，用户只需要修改传入函数的参数

修改分为两个部分，材质修改和渲染修改

新材质需求

材质修改是通过PreProcessMaterial，对传入函数的InputData和ToonSurfaceData进行修改，参考

在Standard的基础上，让石头顶部覆盖雪或草

// Feature
+[Main(FeatureMode, _, off, off)] _FeatureGroup("Feature", float) = 0
+[KWEnum(FeatureMode, SnowRock, _SNOWROCK, GrassRock, _GRASSROCK)] _EnumFeatureMode ("Feature", float) = 0
+[Sub(FeatureMode)] [ShowIf(_EnumFeatureMode, Equal, 0)] _CustomVector1 ("Snow Color", Color) = (1,1,1,1)
+[Sub(FeatureMode)] [ShowIf(_EnumFeatureMode, Equal, 0)] _CustomFloat1 ("Snow Line (World)", Float) = 0.5
+[Sub(FeatureMode)] [ShowIf(_EnumFeatureMode, Equal, 1)] _CustomVector2 ("Grass Rock Color", Color) = (1,1,1,1)
+[Sub(FeatureMode)] [ShowIf(_EnumFeatureMode, Equal, 1)] _CustomFloat2 ("Grass Scale", Range(0,1)) = 0.9
+[Tex(FeatureMode_GRASSROCK)] _CustomMap1("GrassMap", 2D) = "white" {}


#pragma shader_feature_local _CELLSHADING _PBRSHADING _CUSTOMSHADING
+#pragma shader_feature_local _SNOWROCK _GRASSROCK

+#define _SnowLine _CustomFloat1
+#define _SnowColor _CustomVector1
+#define _GrassScale _CustomFloat2
+#define _GrassColor _CustomVector2
+#define _GrassMap _CustomMap1

void PreProcessMaterial(inout InputData inputData, inout ToonSurfaceData surfaceData, float2 uv)
{
+    #if _SNOWROCK
+    float snowScale = saturate(inputData.positionWS.y - _SnowLine);
+    surfaceData.albedo = lerp(surfaceData.albedo, _SnowColor.rgb, snowScale);
+    #endif

+    #if _GRASSROCK
+    float3 grassColor = _GrassColor.rgb;
+    grassColor *= SAMPLE_TEXTURE2D(_GrassMap, sampler_CustomMap1, uv).rgb;

+    float3 upVector = float3(0, 1, 0);
+    float NoU = dot(upVector, inputData.normalWS);
+    float grassScale = saturate(NoU - _GrassScale);
+    // surfaceData.albedo = lerp(surfaceData.albedo, grassColor, grassScale);
+    if(NoU > _GrassScale)
+    {
+        surfaceData.albedo = grassColor;
+    }
+    #endif
}

float4 CustomFragment(InputData inputData, ToonSurfaceData toonSurfaceData, AdditionInputData additionInput)
{
    return 0;
}

#include "Packages/com.reubensun.toonurp/Shaders/ToonStandardForwardPass.hlsl"

易拓展

必须承认，不同材质的ShadingMode不同，因此我们必须要支持自定义ShadingMode，于是我设计了一个CustomFragment函数，并定义了一个宏，当这个宏打开，就不走ToonFragment，而是CustomFragment，参考

// Lighting mode
[Main(ShadingMode, _, off, off)] _ShadingModeGroup("ShadingMode", float) = 0
+[KWEnum(ShadingMode, CelShading, _CELLSHADING, PBRShading, _PBRSHADING, CelHair, _CUSTOMSHADING)] _EnumShadingMode ("Mode", float) = 2

+#pragma shader_feature_local _CELLSHADING _PBRSHADING _CUSTOMSHADING

float4 CustomFragment(InputData inputData, ToonSurfaceData toonSurfaceData, AdditionInputData additionInput)
{
+	...
	return color;
}

#include "Packages/com.reubensun.toonurp/Shaders/ToonStandardForwardPass.hlsl"

维护SRP batcher

为了让材质都支持SRP batcher，我们需要不同shader的CBuffer相同，但不同材质要很多不同的变量

为此我在CBuffer中提前定义了大量的float、vector、贴图，在使用时只需要先用#define对这个custom变量重命名，就能兼容SRP batcher，参考

低侵入

我看到很多卡通渲染包，他们都把URP完整复制一份，然后在其中进行少部分的修改，结果就是用户很难分清哪些是自定义的，当用户打算升级URP版本时，就会遇到很多问题

于是我把URP复制到另一个项目中，仅仅做必须在URP做的修改（比如加一个GT Tonemapping），其他的RenderFeature和Shader都在主项目中进行，于是主项目中几乎没有Unity URP自带的内容，十分简洁

功能实现

详情

为什么不想做了

TA届有句名言，工匠克算法

我感觉卡渲的效果太依赖模型、材质了，而我自己不能产出这些资源，游戏公司公开的mmd模型并不是他们实际使用的，很多feature所需的资产并没有公开，非常劝退

而且我感觉URP的设计没有想象中那么好，我想添加一个Tonemapping需要改URP源码，想自己实现阴影要注释掉很多东西，RenderGraph的API频繁改动，让人没有上的欲望

Unity URP卡通渲染