UE4虚幻引擎 Cel着色材质教程卡通阴影
作者：Tommy Tran
由于基于物理的渲染，虚幻引擎4的开发非常容易。该软件可近似估算光线与材料的相互作用方式，从而产生逼真的图像。但是，如果要开发具有风格外观的游戏，则需要探索其他技术。
实现风格化外观的一种方法是使用cel着色材质（也称为卡通着色材质）。该技术模仿了卡通和动漫中通常使用的阴影。您可以在诸如Jet Set Radio，《塞尔达传说：风行者》和《地心引力》等游戏中看到此类示例。
在本教程中，您将学习：
- 创建和使用后处理材料
- 创建一个cel着色器
- 将cel着色器隔离到特定的网格
- 使用查找表控制色带
入门
下载入门项目并解压缩( 提取码: incg)。导航到项目文件夹，然后打开CelShader.uproject。您将看到以下场景：
这是您将要进行阴影处理的字符。在开始之前，您应该知道什么是cel着色材质。
什么是Cel卡通着色材质？
Cel卡通着色是当您使用多个颜色带，而不是连续渐变来渲染某些东西时。
以下是《塞尔达传说：荒野之息》中的 cel着色示例。请注意，只有角色具有cel阴影，而背景却没有（是不是接近卡通动画片黑白灰）。
在此图像中，有三个波段。一种用于阴影，一种用于中间色调，另一种用于高光。
一个常见的误解是，如果某物具有轮廓，则将其阴影化。例如Borderlands。尽管此游戏具有风格化的外观，但未进行 cel着色。您可以在下图中看到它。请注意，角色的阴影不利用颜色带。
即使轮廓不是单元阴影，也通常将它们组合在一起。这有助于使图像看起来像已绘制或着墨。您会在动漫风格的游戏（例如Guilty Gear Xrd和Dragon Ball FighterZ）中看到很多。
在下一节中，您将学习如何实现cel着色。
Cel着色方法
最常见的方法是比较表面方向（称为法线）和光照方向。通过计算法线和光方向之间的点积，您将获得一个介于-1和1之间的值。
值-1表示表面和光朝向相反的方向。0表示它们彼此垂直。1表示它们朝向相同的方向。
通过对点积进行阈值化，可以创建多个波段。例如，如果点积大于-0.8，则可以分配较深的颜色。如果点积低于-0.8，则指定浅色。这将创建一个两波段cel着色器。
此方法的局限性是其他光源不能影响cel阴影对象。同样，对象不能在cel阴影对象上投射阴影。
要解决此问题，您需要使用其他方法。您无需计算点积，而可以计算表面的照度。然后，您可以在阈值化期间使用该值而不是点积。
既然您知道了cel着色器是什么以及它是如何工作的，现在该创建一个了。
创建Cel着色器
本教程中的cel阴影着色器材质是后期处理效果。后处理使您可以在引擎完成渲染后更改图像。后处理的常见用途是景深，运动模糊和模糊。
要创建自己的后期处理效果，您需要使用后期处理材料。导航到“ 材料”文件夹并创建一个新的“ 材料”。将其重命名为PP_CelShader，然后将其打开。
要将物料转换为后处理物料，您需要更改其domain。转到“详细信息”面板，并将“ material domain”更改为“ post process”。
创建cel着色器的第一步是计算每个像素的照明程度。我们将其称为照明缓冲区。
计算照明缓冲区
当虚幻引擎将图像渲染到屏幕上时，它会将通行证存储到缓冲区中。要计算照明缓冲区，您将需要访问以下两个缓冲区：
- 后期处理输入：虚幻引擎执行了照明和后期处理后，会将图像存储到此缓冲区。如果您不执行进一步的后期处理，这就是虚幻将显示给播放器的内容。
- 漫反射色：这是没有任何照明和后期处理的场景。它将包含屏幕上所有内容的漫反射颜色。
要访问这些缓冲区，您需要使用SceneTexture节点。创建一个并选择它，然后转到“详细信息”面板。要访问“后处理输入”缓冲区，请将“ 场景纹理ID”更改为PostProcessInput0。
要访问“漫反射颜色”，请创建另一个SceneTexture节点。将其场景纹理ID更改为DiffuseColor。
照明缓冲区应仅包含灰度值（描述灰度值）。这意味着您不需要两个缓冲区中的颜色信息。要放弃颜色，连接颜色两者的输出SceneTexture节点的饱和度下降。这将使两个缓冲区完全饱和。
要计算照明缓冲区，只需将SceneTexture：PostProcessInput0除以SceneTexture：DiffuseColor即可。
然后，使用clamp，使值保持在0到1范围内。由于您知道可能的值，因此这使执行阈值化变得更容易。
这是照明缓冲区的可视化：
如您所见，亮的区域更接近白色，不亮的区域更接近黑色。
接下来，您将使用照明缓冲区创建阈值。
创建阈值
对于此cel着色器，任何值大于0.5的像素都将使用常规漫反射颜色。值小于0.5的像素将使用一半亮度的漫反射颜色。
首先，创建一个If节点。这将使您比较两个值。然后，您可以根据比较结果指定不同的输出。
接下来，将clamp连接到A输入。然后，创建一个值为0.5的常数并将其插入B输入。
要获取颜色，请创建一个SceneTexture并将其“ 场景纹理ID”设置为“ 漫反射颜色”。随后，乘颜色由0.5得到一半的亮度弥漫。
最后，像这样连接一切：
摘要：
- 脱饱和desaturation会将后处理输入和漫反射颜色转换为灰度图像
- 除法将后处理输入除以漫反射颜色。这将为您提供照明缓冲区。
- clamp保持0到1范围内的值
- 所述如果将输出正常漫反射颜色如果照明值大于0.5。如果小于0.5，则将以一半亮度输出漫反射颜色。
现在有了cel着色器，您需要将其应用于场景。
使用后处理材料
要使用后处理材料，您需要创建一个后处理卷。这些通常用于控制后期处理效果，例如白平衡，饱和度和对比度。
单击“ 应用”，然后返回到主编辑器。要创建后处理卷，请转到“模式”面板，然后选择“ 卷”类别。然后，将“ 后处理体积”拖动到视口中以创建一个。
现在，您需要告诉后期处理卷使用cel着色器。选择“后处理量”后，转到“详细信息”面板。然后，找到“ 渲染功能后处理材料”，然后单击+图标。这将向阵列添加一个新条目。
接下来，点击选择下拉菜单，然后选择资产参考。
这将允许您选择一种材料。单击“ 无”下拉列表，然后选择PP_CelShader。
默认情况下，仅当您在其中时，后处理卷才会生效。但是，在这种情况下，您希望它影响整个世界。为此，向下滚动到Post Process Volume Settings，然后启用Infinite Extent（Unbound）。
现在，将cel着色器应用于整个图像，您将看到以下内容：
“等等，这看起来不像您先前显示的cel着色器！”
它看起来不同的主要原因是因为引擎在色调映射后应用了cel着色器。要解决此问题，您需要在色调映射之前告诉引擎应用cel着色器。
在tonemapping之前应用Cel阴影
在向播放器显示图像之前，虚幻引擎执行一个称为“色调映射”的过程。进行色调映射的原因之一是使图像看起来更自然。它通过输入颜色来实现此目的，然后使用曲线将其移动到新值。
下面是后处理输入缓冲区的两个图像。一个在色调映射之前，一个在色调映射之后：
如您所见，色调映射之前的高光太亮。但是，在进行色调映射后，明亮的区域更柔和。
在大多数情况下，tonemapping映射就可以了。但是，由于在计算中使用了“后处理输入”缓冲区，因此需要其原始值。
打开PP_CelShader并确保您没有选择任何内容。然后，转到“详细信息”面板，然后找到“ 后处理材料”部分。设置可混合的位置，以色调映射之前。
单击“ 应用”，然后返回到主编辑器。现在的颜色看起来好多了！
在下一节中，您将学习如何仅将cel阴影应用于特定对象。
隔离Cel着色器
要隔离后期处理效果，您需要使用一个称为“ 自定义深度”的功能。像后期处理输入和漫反射颜色一样，这是可以在后期处理材料中使用的缓冲区。
在了解什么是“自定义深度”之前，您应该知道“ 场景深度”缓冲区是什么。场景深度存储每个像素距相机平面的距离。这是场景深度的可视化：
自定义深度存储相同的信息，但仅用于您指定的网格。这是维京人渲染到“定制深度”时的可视化效果：
通过将“场景深度”与“自定义深度”进行比较，可以隔离效果。如果“场景深度”小于“自定义深度”，请使用普通图像。如果“场景深度”大于“自定义深度”，请使用cel阴影图像。
第一步是将维京海盗渲染到“自定义深度”。
使用自定义深度
转到World Outliner并选择SK_Viking。然后，转到“详细信息”面板并找到“ 渲染”部分。接下来，启用Render CustomDepth Pass。
接下来，您需要执行深度比较。打开PP_CelShader并创建以下设置：
然后，连接卡通渲染网络的输出A> B。最后，将“ 如果您刚制成了发射颜色”连接到输出。
现在，只有渲染为“自定义深度”的网格才具有cel着色。
单击“ 应用”，然后返回到主编辑器。您将看到只有维京人现在具有cel阴影。
cel着色器效果很好，但是有点简单。如果您想拥有两个以上的队伍怎么办？如果要在频段之间创建更柔和的过渡怎么办？您可以使用查找表（LUT）完成此操作。
什么是查询表？
小时候，您了解了乘法。但是，年轻的头脑可能无法执行这些计算。您可能没有使用计算表，而是使用乘法表来“查找”答案。
这本质上就是LUT。它是一个值数组（通常是预先计算的），您可以使用输入进行访问。对于乘法表，输入为乘数和被乘数。
在此cel着色器的上下文中，LUT是具有某种渐变的纹理。以下是LUT外观的四个示例：
当前，计算阴影颜色的方法是将漫反射颜色乘以0.5。您将使用LUT中的值，而不是乘以常数0.5。通过这样做，您可以控制频段的数量及其过渡。您可以通过LUT的外观了解阴影的外观。
使用LUT之前，您需要更改其某些纹理设置。
更改LUT设置
导航到Textures文件夹，然后打开T_Lut_01。这是LUT的样子：
您需要更改的第一个设置是sRGB。渲染时，虚幻引擎会将启用了sRGB的所有纹理转换为线性颜色。基本上，这使虚幻引擎更容易执行渲染计算。
sRGB设置非常适合描述外观的纹理。但是，法线贴图和LUT之类的纹理具有用于数学计算的值。因此，虚幻应该假定它们的值已经正确。通过禁用sRGB，虚幻引擎将不会执行到线性颜色的转换。
要做到这一点，取消了sRGB的复选框。您可以在“ 纹理”部分下找到此设置。
您需要更改的下一个设置是纹理平铺的方式。由于未显示此纹理，因此无需对其进行平铺。此外，在从边缘采样时，启用平铺会引入问题。例如，如果要从左侧边缘采样一个像素，由于平铺，它将尝试融合到右侧边缘。
要禁用平铺，请将X轴平铺方法更改为Clamp。对Y轴平铺方法执行相同的操作。
设置就这些了。现在，您需要在后处理材料中使用LUT。
使用LUT
关闭T_Lut_01并打开PP_CelShader。首先，删除突出显示的节点：
接下来，创建一个纹理样本并将其纹理更改为T_Lut_01。该LUT将创建具有软过渡的三个频段。
如果您还记得，LUT会采用输入来确定要输出的值。在这种情况下，您将使用照明缓冲区作为输入。
为此，将夹钳连接到Texture Sample的UV上。
这是可行的，因为照明缓冲区和纹理坐标在0到1的范围内。例如，如果来自照明缓冲区的像素为0.5，则LUT将从纹理的中间输出像素值。
接下来，您需要将漫反射颜色与LUT相乘。为此，请重新创建以下设置：
附加的原因是将“ 纹理样本”的输出转换为四通道向量。您需要执行此操作，因为您无法将三通道向量乘以四通道向量（SceneTexture）。
最后，像这样连接一切：
现在，您无需将漫反射颜色乘以常量，而是要乘以LUT中的值。这控制着有多少个频段及其过渡（取决于LUT）。照明缓冲区确定LUT将输出哪个值。
单击“ 应用”，然后关闭PP_CelShader。现在，阴影将具有三个波段，各波段之间的过渡更柔和。
下面是替代LUT外观的比较。这些LUT也包含在项目中。
后处理材料非常强大。它们使您可以创建许多逼真的风格化效果。如果您想了解有关后期处理的更多信息，请查阅后期处理效果文档。
