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半透明纯色物体描边

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作者 Jauved
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半透明纯色物体描边

半透明纯色物体描边

00 要求

  • 仅渲染纯色物体, 不采用贴图
  • 不能渲染出半透明物体内部的结构
  • 不要影响其他的半透明物体的排序

首先排除使用深度处理, 因为会影响到其他的半透明物体渲染. 其次, 由于是纯色物体, 那么仅考虑上色逻辑即可.

01 处理方法

  • 拆分

    • 无论内部结构多复杂, 仅渲染一次

    • 采用Stencil而不是深度, 则对其他的排序不影响

    • 使用RenderObjectFeature, 在渲染Transparent物体前先进行Stencil的预写入

  • 核心原理

    • 预写入Outline部分的Stencil信息, 将区域Stencil设定为255
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      Name "StencilMask"
Tags { "LightMode" = "StencilMask" }
Cull Front
ZWrite Off
Blend Off
ColorMask 0
    
Stencil
{
    Ref 255             // 标记值
    Comp Always         // 总是通过
    Pass Replace        // 写入 Ref
    ZFail Replace       // 因为描边是Cull Front的, 所以必然通不过深度测试, 这个时候还是需要Replace
    ReadMask  255
    WriteMask 255
}

      此时, 整个”描边”区域Stencil信息为255

    • 预写入物体本身的Stencil信息, 将区域Stencil-1变为254
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      Name "StencilMask"
Tags { "LightMode" = "StencilMask" }
Cull [_Cull]
ZWrite Off
Blend Off
ColorMask 0
    
Stencil
{
    Ref 255                // 标记值
    Comp Equal             // 相等
    Pass DecrSat           // 写入 Ref 变为254
    ReadMask  255
    WriteMask 255
}

      此时, 整个描边区域Stencil信息为255, 物体区域Stencil信息为254

    • 渲染Outline部分的颜色

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      Name "Outline"
Tags { "LightMode" = "SRPDefaultUnlit" }
Cull Front
ZWrite Off
Blend [_OutlineSrcBlend] [_OutlineDstBlend]
BlendOp [_OutlineBlendOp]
    
Stencil
{
    Ref 255
    Comp Equal        // 仅在未被 Base 标记的像素处绘制
    Pass Keep
}

      仅在255区域内渲染

    • 渲染物体本身的颜色

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      Name "Effect"
Tags { "LightMode" = "SRPDefaultUnlit" }
Cull Back
ZWrite Off
Blend [_SrcBlend] [_DstBlend]
BlendOp [_BlendOp]
    
Stencil
{
    Ref 254
    Comp Equal
    Pass DecrSat	// 初次渲染时, 变为253, 多次渲染时, 会跳过
    ReadMask  255
    WriteMask 255
}

      此时无论有多少层物体重叠, 都只会渲染一次.

      因为, 当254时, 则渲染, 同时将值改为253, 当多层重叠的情况, 第二次读到这个像素时, 值已经是253了, 则不会重复渲染.

    • 注意

      • 渲染Outline采用的是最通常的挤出法线方式, 此时当255的时候, 才会渲染.
      • 渲染Outline部分的StencilMask时, 要写ZFail : Repalce, 因为描边是Cull Front, 极大概率会被深度剔除.
      • 不能定为初始为1, 然后减为0, 因为Stencil默认值就会填充0, 会出现问题.
      • 由于无法确定是哪一层模型真正参与了渲染, 所以无法采用贴图, 只适用于纯色半透明物体.
      • 在物体上挂材质球的时候, Outline在前, TransparentOutline在后

02 Stencil相关参数及Tips

  • 示例代码

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    Stencil
{
    Ref <ref>
    ReadMask <readMask>
    WriteMask <writeMask>
    Comp <comparisonOperation>
    Pass <passOperation>
    Fail <failOperation>
    ZFail <zFailOperation>
    CompBack <comparisonOperationBack>
    PassBack <passOperationBack>
    FailBack <failOperationBack>
    ZFailBack <zFailOperationBack>
    CompFront <comparisonOperationFront>
    PassFront <passOperationFront>
    FailFront <failOperationFront>
    ZFailFront <zFailOperationFront>
}

  • 模板方程

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    if((ref & readMask) comparisonFunction (stencilBufferValue & readMask))
{
    // 通过
}
else
{
	// 跳过    
}

  • Ref

    • 作用: 指定”参考值”(reference value), 用作模板测试时的基准.
    • 类型: 整数(0-255).
    • 默认: 0

  • ReadMask

    • 作用: GPU 在执行模板测试时使用此值作为遮罩.

    • 类型: 整数(0-255)

    • 默认: 255(1111 1111)

      • 举例1

        如果Ref为171(1010 1011), ReadMask为15(0000 1111), 原StencilBuffer值为18(0001 0010) ref & readMask = = 10101011 & 00001111 = 11(00001011),

        stencilBufferValue & readMask = 00010010 & 00001111 = 2(00000010)

        如果 comparisonFunction = Equal, 就比较 11 == 2? → 失败; 如果 comparisonFunction = Greater, 就比较 11 > 2? → 通过.

      • 举例2

        如果Ref为171(1010 1011), ReadMask为240(1111 0000), 原StencilBuffer值为242(1111 0010) ref & readMask = = 10101011 & 11110000 = 160(10100000),

        stencilBufferValue & readMask = 11110010 & 11110000 = 240(11110000)

        如果 comparisonFunction = Equal, 就比较 160 == 240? → 失败; 如果 comparisonFunction = Greater, 就比较 160 > 240? → 失败; 如果 comparisonFunction = LessEqual, 就比较 160≤ 240? →通过.

  • WriteMask

    • 作用: 在GPU 在写入模板缓冲区时使用此值作为遮罩.
    • 类型: 整数(0-255)
    • 默认: 255(1111 1111)
    • 注意:
      • WriteMask是否会影响IncrSat需要验证 比如: 当WriteMask为1110 0000时, IncrSat到底是增加’0000 0001’(直接加1)还是’0010 0000’(在写入掩码的最低位+1), 需要验证

  • Comp

    • 作用: 比较操作, GPU 为所有像素的模板测试执行的操作

    • 类型: 枚举, Rendering.CompareFunction

    • 值:

      值Rendering.CompareFunction 枚举中的对应整数值功能
      Never1从不渲染像素。
      Less2在参考值小于模板缓冲区中的当前值时渲染像素。
      Equal3在参考值等于模板缓冲区中的当前值时渲染像素。
      LEqual4在参考值小于或等于模板缓冲区中的当前值时渲染像素。
      Greater5在参考值大于模板缓冲区中的当前值时渲染像素。
      NotEqual6在参考值与模板缓冲区中的当前值不同时渲染像素。
      GEqual7在参考值大于或等于模板缓冲区中的当前值时渲染像素。
      Always8始终渲染像素。

  • Pass

    • 作用: 模板操作. 当像素通过模板测试和深度测试时, GPU 对模板缓冲区执行的操作.

    • 类型: 枚举, Rendering.Rendering.StencilOp

    • 默认值: keep

    • 值:

      值Rendering.StencilOp 枚举中的对应整数值功能
      Keep0保持模板缓冲区的当前内容。
      Zero1将 0 写入模板缓冲区。
      Replace2将参考值写入缓冲区。
      IncrSat3递增缓冲区中的当前值。如果该值已经是 255，则保持为 255。
      DecrSat4递减缓冲区中的当前值。如果该值已经是 0，则保持为 0。
      Invert5将缓冲区中当前值的所有位求反。
      IncrWrap6递增缓冲区中的当前值。如果该值已经是 255，则变为 0。
      DecrWrap7递减缓冲区中的当前值。如果该值已经是 0，则变为 255。

  • Fail

    • 作用: 模板操作. 当像素未通过模板测试时, GPU 对模板缓冲区执行的操作.
    • 类型: 枚举, 同Rendering.Rendering.StencilOp
    • 默认值: keep

  • ZFail

    • 作用: 模板操作. 当像素通过模板测试, 但未通过深度测试时, GPU 对模板缓冲区执行的操作.
    • 类型: 枚举, 同Rendering.Rendering.StencilOp
    • 默认值: keep

  • CompBack/ComFront

    • 作用: Comp针对背面/正面的比较操作, 如果已经定义了Comp, 则无效果
    • 类型: 枚举, 同Rendering.CompareFunction
    • 默认值: keep

  • PassBack/PassFront

    • 作用: Pass针对背面/正面的模板操作, 如果已经定义了Pass, 则无效果
    • 类型: 枚举, 同Rendering.Rendering.StencilOp
    • 默认值: keep

  • FailBack/FailFront

    • 作用: Fail针对背面/正面的模板操作, 如果已经定义了Fail, 则无效果
    • 类型: 枚举, 同Rendering.Rendering.StencilOp
    • 默认值: keep

  • ZFailBack/ZFailFront

    • 作用: ZFail针对背面/正面的模板操作, 如果已经定义了ZFail, 则无效果
    • 类型: 枚举, 同Rendering.Rendering.StencilOp
    • 默认值: keep

03 源码

Outline

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Shader "UnlitOutline"
{
    Properties
    {
        [HDR]_OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0,1,1,1)
        _OutlineWidth ("Outline Width", Range(0,10)) = 5
        [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)]_OutlineSrcBlend("Outline SrcBlend Mode", Int) = 5
        [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)]_OutlineDstBlend("Outline DstBlend Mode", Int) = 10
        [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendOp)]_OutlineBlendOp("Outline Blend Op", Int) = 0
    }
    SubShader
    {
        Tags
        {
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
            "RenderType"     = "Transparent"
            "Queue"          = "Transparent"
        }
        LOD 100

        HLSLINCLUDE
        #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
        CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
        float4 _OutlineColor;
        float _OutlineWidth;
        CBUFFER_END
        ENDHLSL

        Pass
        {
            Name "StencilMask"
            Tags { "LightMode" = "StencilMask" }
            Cull Front
            ZWrite Off
            Blend Off
            ColorMask 0

            Stencil
            {
                Ref 255             // 标记值
                Comp Always         // 总是通过
                Pass Replace        // 写入 Ref
                ZFail Replace       // 因为描边是Cull Front的, 所以必然通不过深度测试, 这个时候还是需要Replace
                ReadMask  255
                WriteMask 255
            }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float3 normalOS : NORMAL;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
            };

            Varyings Vert(Attributes IN)
            {
                Varyings OUT;
                float3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(IN.normalOS);
                float viewZ     = abs(mul(UNITY_MATRIX_MV, IN.positionOS).z);
                float tanHFov   = 1.0 / UNITY_MATRIX_P._m11;
                _OutlineWidth  = _OutlineWidth * (2 * viewZ * tanHFov) / _ScreenParams.y;
                float3 positionWS = TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz) + normalWS * _OutlineWidth;
                OUT.positionCS = TransformWorldToHClip(positionWS);
                return OUT;
            }

            float4 Frag(Varyings IN) : SV_Target
            {
                return 0;
            }
            ENDHLSL
        }

        Pass
        {
            Name "Outline"
            Tags { "LightMode" = "SRPDefaultUnlit" }
            Cull Front
            ZWrite Off
            Blend [_OutlineSrcBlend] [_OutlineDstBlend]
            BlendOp [_OutlineBlendOp]

            Stencil
            {
                Ref 255
                Comp Equal        // 仅在未被 Base 标记的像素处绘制
                Pass Keep
            }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex VertOutline
            #pragma fragment FragOutline
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float3 normalOS : NORMAL;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
            };

            Varyings VertOutline(Attributes IN)
            {
                Varyings OUT;
                float3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(IN.normalOS);
                float viewZ     = abs(mul(UNITY_MATRIX_MV, IN.positionOS).z);
                float tanHFov   = 1.0 / UNITY_MATRIX_P._m11;
                _OutlineWidth  = _OutlineWidth * (2 * viewZ * tanHFov) / _ScreenParams.y;
                float3 positionWS = TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz) + normalWS * _OutlineWidth;
                OUT.positionCS = TransformWorldToHClip(positionWS);
                return OUT;
            }

            float4 FragOutline(Varyings IN) : SV_Target
            {
                return _OutlineColor;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

TransparentOutline

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Shader "UnlitTransparentOutline"
{
    Properties
    {
        [HDR]_Color   ("Color Tint", Color) = (0.2,0.8,0.8,0.3)
        [HideInInspector][HDR]_OutlineColor ("Outline Color", Color) = (0,1,1,1)
        [HideInInspector]_OutlineWidth ("Outline Width", Range(0,10)) = 5
        [Enum(UnityEngine.Rendering.CullMode)]_Cull("Cull Mode", Int) = 2
        [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)]_SrcBlend("SrcBlend Mode", Int) = 5
        [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)]_DstBlend("DstBlend Mode", Int) = 10
        [Enum(UnityEngine.Rendering.BlendOp)]_BlendOp("Blend Op", Int) = 0
        [HideInInspector][Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)]_OutlineSrcBlend("Outline SrcBlend Mode", Int) = 5
        [HideInInspector][Enum(UnityEngine.Rendering.BlendMode)]_OutlineDstBlend("Outline DstBlend Mode", Int) = 10
        [HideInInspector][Enum(UnityEngine.Rendering.BlendOp)]_OutlineBlendOp("Outline Blend Op", Int) = 0
    }
    SubShader
    {
        Tags
        {
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
            "RenderType"     = "Transparent"
            "Queue"          = "Transparent"
        }
        LOD 100

        HLSLINCLUDE
        #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
        CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
        float4 _Color;
        float4 _OutlineColor;
        float _OutlineWidth;
        CBUFFER_END

        ENDHLSL

        Pass
        {
            Name "StencilMask"
            Tags { "LightMode" = "StencilMask" }
            Cull [_Cull]
            ZWrite Off
            Blend Off
            ColorMask 0

            Stencil
            {
                Ref 255                // 标记值
                Comp Equal          // 相等
                Pass DecrSat         // 写入 Ref 变为254
                ReadMask  255
                WriteMask 255
            }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
            };

            Varyings Vert(Attributes IN)
            {
                Varyings OUT;
                OUT.positionCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
                return OUT;
            }

            float4 Frag(Varyings IN) : SV_Target
            {
                return 0;
            }
            ENDHLSL
        }

        Pass
        {
            Name "Effect"
            Tags { "LightMode" = "SRPDefaultUnlit" }
            Cull Back
            ZWrite Off
            Blend [_SrcBlend] [_DstBlend]
            BlendOp [_BlendOp]

            Stencil
            {
                Ref 254
                Comp Equal
                Pass DecrSat
                ReadMask  255
                WriteMask 255
            }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex Vert
            #pragma fragment Frag
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionCS : SV_POSITION;
            };

             TEXTURE2D(_BaseMap); SAMPLER(sampler_BaseMap);

            Varyings Vert(Attributes IN)
            {
                Varyings OUT;
                OUT.positionCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
                return OUT;
            }

            float4 Frag(Varyings IN) : SV_Target
            {
                return _Color;
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}
参考网页
Unity, Shader
URP Shader 特效
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