第14章 非真实感渲染
游戏渲染一般都是以
照相写实主义（photorealism）
作为主要目标，但也有许多游戏使用了
非真实感渲染（Non-Photorealistic Rendering ，NPR）
的方法来渲染游戏画面。非真实感渲染的一个主要目标是，使用一些渲染方法使得画面达到和某些特殊的绘画风格相似的效果，例如卡通、水彩风格等。
接下来我们将学习两种常见的非真实感渲染方法。在14.1中了解包含了简单漫反射、高光和描边的卡通风格的渲染效果。14.2中了解实时素描效果的实现。
14.1 卡通风格的渲染
特点：物体都被黑色的线条描边，以及分明的明暗变化等。
要实现卡通渲染有很多方法，其中之一就是使用
基于色调的着色技术（tone-based shading）
（Gooch等人在他们1998年的一篇论文中提出并实现了基于色调的光照模型）。在现实中，我们往往会使用漫反射系数对一张一维纹理进行采样，以控制漫反射的色调。我们曾在7.3中实现过这样的效果。卡通风格的高光效果也和我们之前的光照不同。在卡通风格中，模型的高光往往是一块块分界明显的纯色区域。
除了光照模型不同外，卡通风格通常还需要在物体边缘部分绘制轮廓。在之前的章节中，我们曾介绍使用屏幕后处理技术对屏幕图像进行扫描。本节中，我们将介绍基于模型的描边方法，这种方法的实现方法更加简单，而且在很对情况下也能得到不错的效果。
14.1.1 渲染轮廓线
在《Real Time Rendering ,third edition》一书中，将模型轮廓线分为五种类型。
·基于观察角度和表面法线的轮廓线渲染。这种方法使用视角方向和表面法线的点乘结果来得到轮廓线的信息。这种方法简单快速，可以在一个Pass中就得到渲染结果，但局限性很大，很多模型渲染出来的描边效果都不尽如人意。
·过程式集合轮廓线渲染。这种方法的核心是使用两个Pass渲染。第一个Pass渲染背面的面片，并使用某些技术让他的轮廓可见；第二个Pass再正常渲染正面的面片。这种方法的优点在于快速有效，并且使用于绝大多数表面平滑的模型，但他的缺点是不适合类似于正方体这样平整的模型。
·基于图像处理的轮廓线渲染。我们在第12、13章介绍的边缘检测的方法就属于这个类别。这种方法的优点在于，可以使用于任何种类的模型。但他也有自身的局限所在，一些深度和法线变化很小的轮廓无法被检测出来，例如桌子上的纸张。
·基于轮廓边检测的轮廓线渲染。上面提到的各种方法，一个最大的问题是，无法控制轮廓线的风格渲染。对于一些情况，我们希望可以渲染出独特风格的轮廓线，例如水墨风格等。为此，我们希望可以检测出精度的轮廓边，然后直接渲染它们。检测一条边是否是轮廓边的公式很简单，我们只需要检查和这条边相邻的两个三角面片是否满足以下条件：
（n（0）·v>0）!= (n(1)·v>0)
其中，n（0）和n（1）分别表示两个相邻三角面片的法向，v是从视角到该边上任意顶点的方向。上述公式的本质在于检查两个相邻的三角面是否一个朝正面、一个超别面 。我们可以在几何4着色器（Geometry Shader）的帮助下实现上面的检查过程。当然，这种方法也有缺点，除了实现相对复杂外，它还会有动画连贯性的问题。也就是说，由于是逐帧单独提取轮廓，所以在帧与帧之间会出现跳跃。
·最后一个种类就是混合了上述的几种渲染方法。例如，首先找到精确的轮廓边，把模型和轮廓边渲染到纹理中，再使用图像处理的方法识别出轮廓线，并在图像空间下进行风格化渲染。
在本节中，我们将会在Unity中使用过程式几何轮廓线颜色渲染整个背面的面片，并在视角空间下把模型顶点沿着法线方向向外扩张一段距离，以此来让背部轮廓线可见。代码如下：
viewPos = viewPos + viewNormal * _Outline;但是，如果直接使用顶点法线进行扩展，对于一些内凹的模型，就可能发生背面面片遮挡正面面片的情况。为了尽可能防止出现这样的情况，在扩张背面顶点之前，我们首先对顶点法线的z分量进行处理，使他们等于一个定值，然后把法线归一化后再对顶点进行扩张。这样的好处在于，扩展后的背面更加扁平化，从而降低了遮挡正面面片的可能性。代码如下：
viewNormal.z = -0.5;
viewNormal = normalize(viewNormal);
viewPos = viewPos + viewNormal * _Outline;
14.1.2 添加高光
回顾一下，在之前实现Blinn-Phong模型的过程中，我们使用法线点乘光照方向以及视角方向和的一半，再和另一个参数进行指数操作得到高光反射系数。代码如下：
float spec =