1. 项目概述当卡通渲染遇上动态积雪最近在做一个风格化项目客户想要一个既带有日式卡通质感又能随着时间“长”出积雪的模型。这听起来像是个缝合需求但仔细一想其实挺有意思。卡通渲染Cel Shading追求的是色块分明、轮廓清晰的非真实感而动态积雪则是模拟物理世界的渐进覆盖过程。把这两者结合本质上是在风格化的视觉框架下实现一套有逻辑的动态材质变化。这个项目的核心就是解决“风格”与“动态”的兼容问题。我们不是要做一个物理精确的积雪模拟那太耗性能而是要设计一套视觉上合理、控制上便捷的“卡通感”积雪生长系统。最终效果是模型表面会像被一层卡通风格的“雪漆”逐渐覆盖从无到有并且能通过C#脚本实时控制积雪的厚度、范围和生长速度。这不仅能用于雪景游戏角色、场景装饰对于需要表现“腐蚀”、“覆盖”、“能量充盈”等状态变化的风格化项目也提供了可复用的思路。2. 核心思路拆解卡通渲染与动态遮罩的化学反应要实现“长雪”关键在于理解卡通渲染的底层逻辑并找到与之适配的动态控制方法。传统的卡通渲染Shader其光照模型通常是阶梯化的如兰伯特光照结果经过ceil或step函数处理并辅以色块贴图Ramp Texture和轮廓描边。而动态积雪本质上是一个随时间变化、受法线方向影响的遮罩Mask。2.1 卡通渲染基础框架选择在Unity中尤其是URP通用渲染管线或内置管线实现卡通渲染有几种常见路径表面着色器改造对于内置管线修改Surface Shader的光照函数是最直接的方式。顶点/片元着色器重写更灵活适用于URP或需要深度定制的场景。Shader Graph可视化编程对于不熟悉HLSL/GLSL的开发者Amplify Shader Editor或Unity官方的Shader Graph是很好的选择它们能直观地构建节点网络。考虑到我们需要深度集成动态积雪逻辑并且要提供完整的C#控制接口直接编写一个自定义的顶点/片元着色器是可控性最强的方案。这样我们可以完全掌控从顶点数据到最终颜色的每一个环节方便插入我们的积雪计算逻辑。2.2 动态积雪的核心原理世界空间法线与遮罩积雪效果模拟的核心思想很简单表面法线方向越朝上与世界空间上方向量夹角越小越容易积雪。我们通过计算模型顶点或片元的法线在世界空间中的Y分量即朝上的程度来生成一个初始的积雪权重。但这个权重是静态的。要让雪“长”起来我们需要引入动态因素积雪阈值一个可动态调整的浮点数。只有当某点的“积雪倾向”如法线Y分量大于这个阈值时该点才被视为被雪覆盖。时间或进度参数通过C#脚本控制这个阈值从1完全无雪因为法线Y分量最大为1向0完全积雪变化就能模拟出积雪从山顶法线最朝上的地方逐渐向山下蔓延的动态过程。我们将这个动态计算出的遮罩称为“积雪遮罩”Snow Mask。这个遮罩的值在0到1之间0代表无雪显示原材质1代表完全被雪覆盖。2.3 风格化融合策略有了积雪遮罩下一步是如何让它与卡通渲染风格融合。简单粗暴地用遮罩在“原材质颜色”和“雪白色”之间做线性插值lerp会显得很假丢失卡通感。我们的策略是分别渲染分别计算模型原本的卡通着色结果和“雪材质”的卡通着色结果。“雪材质”可以有自己的基础色、色块贴图甚至略微不同的光照响应以模拟雪的不同质感。遮罩混合使用计算好的动态积雪遮罩对这两个着色结果进行混合。这样被雪覆盖的部分其光照、阴影也遵循卡通渲染的规则整体风格才能统一。3. Shader实现详解从顶点到片元的卡通雪世界接下来我们一步步构建这个Shader。这里以Unity URP下的HLSL着色器为例因为URP是目前更主流的管线。核心代码会嵌入详细注释。3.1 着色器属性与变量定义首先在Shader的Properties块和CBUFFER中定义我们需要用到的所有参数。Shader Custom/ToonSnow { Properties { // 基础材质属性 _BaseColor (Base Color, Color) (1,1,1,1) _BaseMap (Base Map, 2D) white {} // 卡通渲染关键属性 _RampMap (Ramp Texture, 2D) white {} // 色块贴图 _ShadowThreshold (Shadow Threshold, Range(0, 1)) 0.5 // 明暗分界阈值 _ShadowSmoothness (Shadow Smoothness, Range(0, 0.1)) 0.02 // 过渡平滑度 _OutlineColor (Outline Color, Color) (0,0,0,1) _OutlineWidth (Outline Width, Range(0, 0.1)) 0.03 // 雪材质属性 _SnowColor (Snow Color, Color) (0.9,0.92,0.95,1) _SnowRampMap (Snow Ramp Texture, 2D) white {} // 积雪控制属性 _SnowDirection (Snow Direction, Vector) (0, 1, 0, 0) // 雪下落方向通常为(0,1,0) _SnowAmount (Snow Amount, Range(0, 1)) 0.5 // 积雪总量由脚本控制 _SnowCoverage (Snow Coverage, Range(0, 1)) 0.2 // 积雪覆盖度影响“长”的范围 _SnowHardness (Snow Hardness, Range(1, 10)) 3 // 积雪边缘硬度 } SubShader { // 第一个Pass渲染轮廓描边使用背面膨胀法 Pass { Name Outline Tags { LightMode SRPDefaultUnlit } Cull Front // 只渲染背面 HLSLPROGRAM // ... 轮廓Pass的具体代码后面详述 ENDHLSL } // 第二个Pass渲染主体卡通光照积雪 Pass { Name ForwardLit Tags { LightMode UniversalForward } Cull Back HLSLPROGRAM // 关键包含URP的核心光照库 #include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl #include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl // 定义顶点着色器和片元着色器 #pragma vertex vert #pragma fragment frag // 声明属性对应的变量 TEXTURE2D(_BaseMap); SAMPLER(sampler_BaseMap); TEXTURE2D(_RampMap); SAMPLER(sampler_RampMap); TEXTURE2D(_SnowRampMap); SAMPLER(sampler_SnowRampMap); float4 _BaseColor; float4 _SnowColor; float _ShadowThreshold; float _ShadowSmoothness; float3 _SnowDirection; float _SnowAmount; float _SnowCoverage; float _SnowHardness; // 顶点着色器输入结构 struct Attributes { float4 positionOS : POSITION; float3 normalOS : NORMAL; float2 uv : TEXCOORD0; }; // 顶点着色器输出/片元着色器输入结构 struct Varyings { float4 positionCS : SV_POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 normalWS : TEXCOORD1; float3 positionWS : TEXCOORD2; }; // 顶点着色器 Varyings vert(Attributes input) { Varyings output; // 将顶点位置和法线从物体空间变换到世界空间 VertexPositionInputs positionInputs GetVertexPositionInputs(input.positionOS.xyz); VertexNormalInputs normalInputs GetVertexNormalInputs(input.normalOS); output.positionCS positionInputs.positionCS; output.positionWS positionInputs.positionWS; output.normalWS normalInputs.normalWS; output.uv input.uv; return output; } // **核心函数计算积雪遮罩** float CalculateSnowMask(float3 worldNormal, float3 snowDir, float amount, float coverage, float hardness) { // 1. 计算法线与雪方向的点积归一化到[0,1]区间。值越大表示越朝上。 float dotProduct dot(worldNormal, normalize(snowDir)); float snowWeight saturate(dotProduct * 0.5 0.5); // 从[-1,1]映射到[0,1] // 2. 应用积雪总量(_SnowAmount)和覆盖度(_SnowCoverage)。 // _SnowAmount控制积雪的“厚度”或“进度”_SnowCoverage影响积雪的基准线。 // 当snowWeight大于 (coverage - amount) 时开始出现积雪。 float threshold coverage - amount; // 3. 使用smoothstep进行平滑过渡_SnowHardness控制边缘锐利度。 // 公式smoothstep(edge0, edge1, x) 当x在[edge0, edge1]之间时返回0到1的平滑插值。 // 我们让edge0和edge1根据hardness和threshold动态变化以控制过渡带宽度。 float edge0 threshold - (1.0 / hardness) * 0.1; float edge1 threshold (1.0 / hardness) * 0.1; float mask smoothstep(edge0, edge1, snowWeight); return mask; } // **核心函数卡通化光照计算** float3 ToonShading(float3 albedo, float3 normalWS, float3 lightDir, float3 lightColor, Texture2D rampTex, SamplerState rampSampler) { // 经典兰伯特光照 float NdotL dot(normalize(normalWS), normalize(lightDir)); // 应用阈值和平滑度实现阶梯化阴影 float shadow smoothstep(_ShadowThreshold - _ShadowSmoothness, _ShadowThreshold _ShadowSmoothness, NdotL); // 通过色块贴图采样将连续的shadow值映射到卡通色阶 float3 ramp SAMPLE_TEXTURE2D(rampTex, rampSampler, float2(shadow, 0.5)).rgb; // 结合光照颜色和材质底色 return albedo * ramp * lightColor; } // 片元着色器 float4 frag(Varyings input) : SV_Target { // 获取基础纹理和颜色 float4 baseTex SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.uv); float3 baseAlbedo baseTex.rgb * _BaseColor.rgb; // 获取主光源信息URP函数 Light mainLight GetMainLight(); float3 lightDir mainLight.direction; float3 lightColor mainLight.color; // 计算积雪遮罩 float snowMask CalculateSnowMask(input.normalWS, _SnowDirection, _SnowAmount, _SnowCoverage, _SnowHardness); // 分别计算基础材质和雪材质的卡通着色结果 float3 baseToonColor ToonShading(baseAlbedo, input.normalWS, lightDir, lightColor, _RampMap, sampler_RampMap); float3 snowToonColor ToonShading(_SnowColor.rgb, input.normalWS, lightDir, lightColor, _SnowRampMap, sampler_SnowRampMap); // 使用积雪遮罩混合两种颜色 float3 finalColor lerp(baseToonColor, snowToonColor, snowMask); // 可以额外添加一些高光或边缘光来增强卡通感和雪的质感此处省略以保持核心清晰 return float4(finalColor, 1.0); } ENDHLSL } } }注意轮廓描边Pass的实现上面代码省略了轮廓Pass。常用方法是“法线外扩”即在顶点着色器中沿顶点法线方向在视图空间将顶点位置向外挤出一定距离_OutlineWidth。这个Pass使用纯色_OutlineColor渲染且只渲染背面Cull Front。实现时需注意在视图空间计算以避免透视变形。网上有大量成熟方案这里不展开占用篇幅。3.2 关键参数解析与艺术指导_SnowAmount这是最核心的控制参数C#脚本主要就是驱动它从0到1变化。值为0时threshold coverage - 0 coverage只有法线最朝上的部分snowWeight coverage才有雪雪量最少。值为1时threshold coverage - 1这个值通常为负导致几乎所有snowWeight 负数的区域即绝大部分区域都被雪覆盖。_SnowCoverage可以理解为“雪线的海拔”。调高此值雪会更集中在模型顶部调低雪更容易覆盖侧面。它与_SnowAmount配合可以创造出“新雪轻轻覆盖山顶”或“暴风雪后连侧面都积雪”的不同效果。_SnowHardness控制积雪边缘的软硬程度。值越大积雪与非积雪区域的边界越清晰锐利卡通感更强值越小边界越模糊过渡更自然适合想要稍微柔和一些的风格。_RampMap与_SnowRampMap这是塑造卡通质感的关键。通常是一张一维渐变纹理水平方向从黑到白或从暗色调到亮色调。_SnowRampMap可以使用对比度更低、颜色更冷的渐变来模拟雪地柔和的反光特性。4. C#控制脚本让雪“长”起来的魔法Shader准备好了我们需要一个脚本来驱动_SnowAmount等属性实现动态变化。这个脚本将挂在需要“长雪”的模型上。using UnityEngine; [RequireComponent(typeof(Renderer))] public class DynamicSnowController : MonoBehaviour { private Renderer _targetRenderer; private MaterialPropertyBlock _propBlock; // 公开可调参数方便在Inspector中或由其他脚本控制 [Header(Snow Growth Settings)] [SerializeField, Range(0f, 1f)] private float _snowAmount 0f; [SerializeField, Range(0f, 1f)] private float _targetSnowAmount 1f; [SerializeField] private float _growthSpeed 0.2f; // 生长速度单位/秒 [Header(Advanced Control)] [SerializeField, Range(0f, 1f)] private float _snowCoverage 0.2f; [SerializeField, Range(1f, 10f)] private float _snowHardness 3f; [SerializeField] private bool _useWorldSpaceSnowDir true; [SerializeField] private Vector3 _customSnowDirection Vector3.up; // 属性访问器方便外部脚本控制 public float SnowAmount { get _snowAmount; set { _snowAmount Mathf.Clamp01(value); UpdateMaterialProperties(); } } public float TargetSnowAmount { get _targetSnowAmount; set _targetSnowAmount Mathf.Clamp01(value); } void Start() { _targetRenderer GetComponentRenderer(); _propBlock new MaterialPropertyBlock(); // 初始更新一次材质属性 UpdateMaterialProperties(); } void Update() { // 每帧向目标积雪量逼近实现平滑生长/消融 if (!Mathf.Approximately(_snowAmount, _targetSnowAmount)) { _snowAmount Mathf.MoveTowards(_snowAmount, _targetSnowAmount, _growthSpeed * Time.deltaTime); UpdateMaterialProperties(); } } /// summary /// 更新材质属性块这是高效修改材质参数的方式避免创建新的Material实例。 /// /summary private void UpdateMaterialProperties() { if (_targetRenderer null || _propBlock null) return; _targetRenderer.GetPropertyBlock(_propBlock); // 设置Shader中的属性 _propBlock.SetFloat(_SnowAmount, _snowAmount); _propBlock.SetFloat(_SnowCoverage, _snowCoverage); _propBlock.SetFloat(_SnowHardness, _snowHardness); // 设置雪方向 Vector3 snowDir _useWorldSpaceSnowDir ? Vector3.up : _customSnowDirection.normalized; _propBlock.SetVector(_SnowDirection, snowDir); _targetRenderer.SetPropertyBlock(_propBlock); } /// summary /// 立即设置积雪量无过渡 /// /summary public void SetSnowAmountImmediate(float amount) { _snowAmount Mathf.Clamp01(amount); _targetSnowAmount _snowAmount; // 同时更新目标值防止Update函数再插值 UpdateMaterialProperties(); } /// summary /// 开始生长积雪平滑过渡到目标值 /// /summary public void StartSnowGrowth(float targetAmount) { TargetSnowAmount targetAmount; } /// summary /// 重置积雪平滑或立即 /// /summary public void ResetSnow(bool immediate false) { if (immediate) { SetSnowAmountImmediate(0f); } else { TargetSnowAmount 0f; } } // 在Inspector中修改参数时实时更新预览仅在编辑器下生效 #if UNITY_EDITOR void OnValidate() { // 防止在播放模式外频繁调用 if (UnityEditor.EditorApplication.isPlaying) { UpdateMaterialProperties(); } } #endif }脚本核心要点使用MaterialPropertyBlock这是最佳实践。直接修改Material的属性会创建新的材质实例导致内存浪费。MaterialPropertyBlock允许我们为每个渲染器实例设置独立的属性高效且不会破坏材质球的共享。平滑过渡Update函数中使用Mathf.MoveTowards实现积雪量的线性插值使生长过程平滑自然。_growthSpeed控制了变化速率。灵活的API提供了属性访问器SnowAmount和方法SetSnowAmountImmediate,StartSnowGrowth,ResetSnow方便其他系统如游戏逻辑、动画器、Timeline以不同方式控制积雪效果。编辑器友好OnValidate方法确保了在Unity编辑器内调整参数时能实时看到模型上的反馈极大提升了美术和设计人员的调试效率。5. 实战调试与性能优化心得在实际项目中应用这套方案会遇到一些典型问题。这里分享我的调试经验和优化技巧。5.1 常见视觉问题与修复问题积雪边缘闪烁或锯齿严重。原因_SnowHardness值过大且smoothstep的过渡区间在屏幕像素级别变化剧烈导致在运动或特定视角下出现走样。解决适当降低_SnowHardness增加过渡带的宽度。在片元着色器中对计算积雪遮罩所用的法线进行简单的平滑处理。可以使用屏幕空间导数fwidth来估算变化率进行边缘抗锯齿AA。例如float snowMask CalculateSnowMask(input.normalWS, ...); float maskDerivative fwidth(snowMask); snowMask smoothstep(0 - maskDerivative, 0 maskDerivative, snowMask);问题雪在模型接缝或低多边形区域呈现不自然的块状。原因顶点法线在硬边处不连续导致基于顶点或片元法线计算的snowWeight突变。解决模型阶段确保模型在需要平滑积雪的区域使用了软边Smooth Normals。Shader阶段如果无法修改模型可以尝试在着色器中对世界空间法线进行简单的邻域平滑。但这需要额外的纹理采样如法线贴图或屏幕空间后处理性能开销较大。一个折中方案是使用一张额外的、预烘焙的“积雪流向图”Snow Flow Map来覆盖或引导遮罩但这属于美术工作流范畴。问题卡通阴影与积雪遮罩结合后明暗交界处颜色怪异。原因基础材质和雪材质使用了不同的_RampMap导致在混合区域光照的阶跃变化不一致。解决确保_SnowRampMap的色阶过渡与_RampMap在视觉风格上协调。有时让它们使用同一张ramp图反而更安全。如果想做出雪更柔和的感觉可以单独调整雪材质的_ShadowThreshold和_ShadowSmoothness属性这需要在Shader中为雪材质也暴露这些控制参数。5.2 性能考量与优化Draw Call这套方案在一个Draw Call内完成使用了2个Pass轮廓主体。轮廓Pass会增加额外的渲染开销如果场景中此类物体极多可以考虑在移动平台或低端设备上关闭轮廓效果。Shader复杂度片元着色器中进行了两次完整的卡通光照计算基础雪并有一次smoothstep和lerp。对于性能敏感的平台可以简化卡通光照模型例如使用更简单的阈值阴影而非纹理采样。如果雪材质和基础材质的光照响应非常接近可以只计算一次光照然后只用积雪遮罩去混合albedo底色但这会牺牲雪的独立质感。使用GPU Instancing如果大量物体使用同一个材质和Shader且只有_SnowAmount等少数属性不同可以开启GPU Instancing来大幅提升渲染效率。确保在Shader的CBUFFER中正确声明这些每实例属性如UNITY_INSTANCING_BUFFER_START...UNITY_INSTANCING_BUFFER_END并在C#脚本中使用MaterialPropertyBlock配合Graphics.DrawMeshInstanced或渲染器的EnableInstancing。5.3 扩展思路这个框架的潜力不止于雪。你可以把“雪”理解为一种“覆盖物”。通过替换_SnowColor、_SnowRampMap和调整遮罩计算逻辑你可以轻松实现泥土覆盖将雪色换成土褐色调整方向为从下往上_SnowDirection (0, -1, 0)模拟角色在泥地行走后下半身沾满泥土的效果。能量充能/腐蚀用发光的能量色或腐蚀的暗紫色作为覆盖色将遮罩计算与时间、距离等参数绑定实现武器充能、护盾衰减或环境腐蚀的效果。多图层混合甚至可以定义多个遮罩和覆盖材质实现更复杂的多层材质混合比如“基础岩石 苔藓 积雪”的三层效果。这套“卡通渲染 动态遮罩”的组合拳其核心价值在于提供了一种在风格化视觉体系中实现动态、可程序化控制的表面效果的方法论。它平衡了表现力、性能和可控性希望能为你的下一个风格化项目带来一些灵感。