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NPR与风格化渲染8 MIN READ

NPR材质与分层光照

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把NdotL分成亮暗两档，很快能得到卡通明暗，但多个光源、阴影和不同材质一起出现时，分界未必还是想要的形状。NPR材质先定义明暗坐标和区域规则，再决定颜色、高光与遮挡怎样组合。每项遮罩能单独显示，才能知道风格来自哪份数据。

风格参数

同一套 Toon 着色器可能需要表达：

  • 明暗分几层，边界是硬切还是软过渡；
  • 阴影颜色是否受材质、环境和时间影响；
  • 皮肤、布料、金属、头发是否使用不同层级；
  • 主光、附加光、环境光和阴影如何组合；
  • 角色和场景是否共享同一颜色 Script；
  • 描边、Bloom、Fog 和色调映射是否改变色块。

这些规则应成为美术可调参数和资产规范。只给每个材质自由调 Ramp，最终会产生互不一致的角色和场景。

明暗坐标与颜色层

明暗坐标

Lambert 漫反射使用：

x=saturate⁡(N⋅L)x=\operatorname{saturate}(\mathbf{N}\cdot\mathbf{L})

Toon 着色器可以对 xx 做硬阈值：w=step⁡(t,x)w=\operatorname{step}(t,x)，再用 ww 在暗色和亮色间插值。

硬 step 在低分辨率、法线变化和动画中容易闪烁。常用 smoothstep(t-w,t+w,x) 保留窄过渡带，过渡宽度还可结合 fwidth(x) 做屏幕空间抗锯齿。

明暗坐标也不一定直接使用 N⋅LN\cdot L。可先加入：

  • 阴影 Attenuation；
  • AO 或材质遮罩；
  • 光源 Wrap；
  • Artist-authored Threshold 偏移；
  • 角色局部空间方向修正。

运算顺序会改变含义。把实时阴影乘进 N⋅LN\cdot L 后再 Ramp，与先 Ramp 再乘阴影不是同一个结果。

例如明暗坐标为 0.8、阴影可见性为 0.5、阈值为 0.6，先相乘再分层得到 0.4，进入暗层；先按 0.8 分层则进入亮层，再乘 0.5 只降低亮层强度。两者可能都可用，但表达的是不同规则。调试视图分别显示比较前的坐标和选中的层，才能判断变化来自阴影输入还是调色结果。

Ramp 纹理

Ramp 用明暗坐标采样一维或二维 LUT。与写死 step 相比，它能直接控制层数、颜色和过渡宽度。

常见布局：

  • U 表示明暗坐标；
  • V 表示材质区域、时间段或风格 Variant；
  • 不同角色共享 Ramp 图集的行；
  • Base Map/ID Map 决定采用哪一行。

导入时要注意：

  • 作为颜色 Ramp 时确认 sRGB 语义；
  • 禁止无意的 Wrap；
  • 小 LUT 的双线性过滤与 Mipmap 可能污染相邻行；
  • 阶梯边界需要 Point/Linear 与抗锯齿策略配合；
  • 压缩会在硬边产生色块和泄漏。

Ramp 分层采样

输入法线和光方向处于同一空间。halfLambert 把 N⋅LN\cdot L 映射到 [0,1][0,1]，材质行选择一条 Ramp：

hlsl
float ndotl = dot(normalize(normalWS), normalize(lightDirWS));
float halfLambert = ndotl * 0.5 + 0.5;
float2 rampUv = float2(saturate(halfLambert), materialRowUv);
float3 ramp = LightRamp.SampleLevel(PointClamp, rampUv, 0).rgb;
float3 shadow = lerp(shadowTint, float3(1.0, 1.0, 1.0), visibility);
float3 litColor = baseColor * ramp * shadow;

点采样适合保留硬分层，线性采样适合平滑过渡；两者都要关闭不期望的 Mip 混合或准备专用 Ramp Mip。把场景阴影直接乘黑会丢掉阴影层的艺术控制，示例用 shadowTint 保留色相。验证时分别显示 halfLambert、Ramp 和可见性，避免把法线、Ramp 与阴影贴图问题混在一起。

分层颜色

设两个明暗边界分别为a、b，且a<b。先计算u=smoothstep(a-wa,a+wa,x)、v=smoothstep(b-wb,b+wb,x)，并选择宽度使整个区间内u>=v。二级阴影权重是1-u，一级阴影为u-v，亮部为v，三者均非负且和为一。若两个阈值顺序或软带宽度使u<v，中间层会出现负权重，结果可能越出色板范围。

一种常见结构是把基础色拆为亮部、一级阴影和二级阴影：

C=w0Clight+w1Cshadow1+w2Cshadow2C=w_0C_{light}+w_1C_{shadow1}+w_2C_{shadow2}

wiw_i 由 Ramp、阴影贴图、AO 和区域遮罩决定，且和为 1。

阴影色不应简单乘黑。可使用暖冷偏移、固定色板或感知颜色空间调整，但最终要在项目输出颜色空间与色调映射后检查。

多层边界应有明确优先级。例如实时阴影贴图应当能把亮部压入阴影层，但 AO 不应把整个材质无限变暗。

材质区域与高光

材质ID与区域控制

角色常用 ID Map 或通道打包区分皮肤、布料、金属、装饰和发光区域。每类区域可选择：

  • Ramp 行与阈值；
  • Specular 形状与颜色；
  • Rim 光源；
  • 阴影 Tint；
  • Outline 宽度；
  • SSS/MatCap/Emission 等附加项。

ID 边界会经过纹理过滤。若希望离散分类，应使用合适的通道值、边缘扩展和阈值，避免 Mipmap 后类别混合。

风格化高光

连续 PBR 高光常与大色块冲突。可以保留 N⋅HN\cdot H 或微表面 NDF 作为形状基础，再对结果做阈值或 Ramp：

s=smoothstep⁡(t−w,t+w,f(N,L,V,r))s=\operatorname{smoothstep}(t-w,t+w,f(\mathbf{N},\mathbf{L},\mathbf{V},r))

rr 是粗糙度或美术控制量。金属可用更硬、更有色的高光；皮肤和布料使用更柔和、受遮罩控制的层。

并非所有 NPR 都要删除 Fresnel。Fresnel 是否保留取决于视觉目标。若保留，应控制它不会在暗部制造无法管理的亮边；若移除，也要用 Rim/Specular 规则补回轮廓可读性。

皮肤Ramp与SSS近似

皮肤可在明暗交界加入一条偏暖的窄色带，近似次表面散射的视觉结果。这不是物理 SSS，只是风格化层。

可以使用 Thickness/Curvature/区域遮罩控制耳朵、鼻翼和面颊强度。若只依赖 N⋅LN\cdot L，所有物体都会出现相同暖边，看起来像统一描边而不是皮肤。

MatCap与视角空间细节

MatCap 用观察空间法线映射二维材质球，适合提供固定高光、金属或手绘反射。它不随世界光源正确变化，因此更像艺术层。

可把 MatCap 与光照权重、遮罩和 Fresnel 混合，避免角色转动时图案完全粘在屏幕上。相机 FOV 与观察空间约定改变时也要检查。

光照组合

多光源

把每盏光分别 Ramp 后相加，会快速把画面推白，也会产生多组互相冲突的硬边。常见控制方式：

  • 只有主方向光决定大明暗；
  • 附加光只贡献受限的 Specular/Rim；
  • 按亮度选主光，但对切换做平滑；
  • 把局部光汇总成连续补光，再由统一曲线限制；
  • 对关键角色使用光照通道或专用灯光配置。

这些方案改变的是主光与补光如何塑造画面。固定一套规则后，分别开关各光源和遮罩，就能判断明暗层为何发生变化。

与PBR的结合路线

传统赛璐璐渲染的局限在于材质表达力：减少色阶带来了卡通感，也同时抹掉了区分金属、布料、皮革的信息。业界由此发展出几条与 PBR 结合的路线。

降色阶化。以完整 PBR 光照为底，在输出端减少色阶。它保留PBR计算的材质差异，色阶压缩也可能削弱高光层次。适用性由目标色板、线条和建模共同判断，不能仅按风格标签推定。

写实手办风。基本保持 PBR 光照，只对漫反射项做局部变形（例如提升暗部饱和度），卡通感主要来自建模造型与材质参数的风格化，而非光照模型。

分区并存。角色主体用传统 Toon 材质，金属、宝石、皮革等需要质感的部件走 PBR 或混合模型。这是一种可控的选择，因为它把“要色块”和“要质感”的区域分开处理，不必在一套模型里妥协。

选择依据是画面目标而非技术先进性。是否使用 IBL、保留哪些 BRDF 项、在哪个环节降色阶，都应当先由美术目标确定。

参数归属

同一个物体受到两盏灯照射时，过渡宽度由存储位置决定控制粒度。保存到GBuffer的宽度随像素材质变化，保存在光源的数据则随灯变化。

以明暗过渡的软硬度为例：

hlsl
float level   = 0.5 - toonLightOffset;
float toonNoL = smoothness > 0.0
    ? smoothstep(level - smoothness * 0.5, level + smoothness * 0.5, ndotl)
    : step(level, ndotl);

smoothness 为零时使用硬阈值，避免向 smoothstep 传入相等边界；负值在参数验证时拒绝。如果 smoothness 来自 GBuffer，那么同一个物体被任何光源照射时软硬度都一致——无法做到“一盏很硬的背光加一盏很软的补光”这种美术常用的打光手法。

反过来，高光的软硬度更适合放在物体上，因为它直接表达材质属性，不同部位需要不同取值。

一个实践中的划分是：漫反射的过渡软硬度放在光源，高光的软硬度放在物体。这种不对称初看割裂，但它对应了真实的需求差异——前者是打光意图，后者是材质属性。

参数归属由控制对象决定。若艺术目标同时需要灯光软硬和材质局部阈值，可以分别保存两者，再定义组合顺序，避免用单一参数承担两种职责。

数据与工程边界

二值化的固有问题

对光照做硬二值化时，明暗交界线常出现锯齿状的不规则边缘。原因有两层：

其一，插值法线在三角形内部平滑变化，相邻三角形的变化率却未必连续。硬阈值提取等值线以后，边界在三角形连接处可能改变曲率；像素覆盖不足又会增加屏幕锯齿。这两份误差分别来自几何/法线近似与光栅采样，需要分开检查。

其二，更根本的是——画师绘制光照时按画面好看来画，很多理想的明暗分布与三维结构本就不对应。这不是精度问题，无法靠提高面数解决。

一种资产侧处理是修改法线：调整法线朝向、用简模法线替换高模法线，让明暗边界服从美术意图而非几何结构。编辑后的法线需经导入、变换并写入实际着色输入；延迟路径的GBuffer必须保存着色器真正要使用的方向。

引擎侧也可以提供运行时的法线调整手段，代价是可控性不如离线编辑，且难以处理复杂造型。两者通常并存：主要角色走离线法线编辑，次要角色用运行时近似。

阴影与环境光

阴影贴图的结果是可见性，不应直接等同于最终阴影颜色。可以用可见性在亮/暗层之间选择，再由 Ramp 和材质定义颜色。

环境光、光照探针或 IBL 能防止暗部完全扁平。NPR 通常对其做压缩或色板映射，保留体积同时不破坏色块。

场景 Fog、Exposure 和色调映射会改变层级对比。调材质时必须经过最终后处理链，而不是只看未色调映射的中间缓冲。

风格一致性与质量档

建议把以下参数放入共享 Profile，而不是散落在材质实例：

  • Ramp/颜色 Palette；
  • 主光方向与阴影 Tint；
  • 全局阈值、过渡宽度；
  • Rim/Specular 上限；
  • Outline 与距离缩放；
  • Fog、Exposure 和色调映射配置。

低质量档可减少附加光、MatCap 层、额外遮罩和屏幕空间效果，但应尽量保持同一色板与层级关系。

验证方法

  • 输出原始 N⋅LN\cdot L、Ramp UV、层 Weight、阴影可见性和材质ID 调试视图。
  • 用固定灯光旋转角色，检查边界连续性和法线接缝。
  • 在不同 FOV、距离、HDR 曝光和色调映射下比较色块。
  • 检查主光切换、多光源重叠、光照探针和实时阴影组合。
  • 用灰球、标准角色和场景资产共享一套 Profile 做风格回归。

2026-10-22 执行 编译检查，DXC 将明暗坐标和平面 Ramp 采样两个片段编译为 ps_6_0，结果通过。该结果只验证带最小输入声明的 HLSL 片段，完整材质、资产绑定、引擎运行与 GPU 性能仍未验证。

相关主题

示例状态：本页代码用于解释对应的数据和调用约束，完整资源创建、类型与调用环境由项目提供。除文中另列的实际实验外，本页未执行目标引擎编译、GPU捕获或性能计时。

参考资料