从零开始的UE5卡通渲染【一】：理论基础
最近在研究基于UE5的卡通渲染，颇有收获。正巧前段时间与同事吃饭，聊到知乎，深感自己知乎各种不正经的东西实在太多了，而我又是个懒得腾出时间写正经东西的懒狗，遂决定趁编译Shader的空闲，写点学习笔记、心得与分享。
虽然卡渲本身的知识不算很多，但放到UE5上就是不得不改动源码的大工程了，不由得让人怀念起自由的Unity，令人感叹……扯远了，总之UE5卡渲这块我准备分成多篇文章，多水一水。
目前的大(feng)致(kuang)计(hua)划(bing)如下：
- 卡通渲染理论基础
- 修改源码的卡渲光照模型实现
- 基于卷积矩阵的卡渲描边实现、添加子Mesh的Backface卡渲描边实现
- 修改源码自定义Pass的Backface卡渲描边实现
……
次世代卡渲/独立的Hair、Skin卡渲光照模型/UE5复刻原神ShadingModel……(或许会有？)
废话不多说了，进入正题。
提到卡通渲染，很多了解不多的朋友可能就会将其与NPR(Non-Photorealistic Rendering)混为一谈，可实际上这两者并不能划等号。事实上NPR是个非常广泛的概念，不止是卡渲，油画、水墨风等等等等各种特殊的渲染风格都可以算作是NPR的一部分，而整个卡渲大类也只是NPR的一个分支罢了，更不用说卡渲自己还有分有各种流派，比如日式赛璐璐风格、有明显明暗分界的Cel Shading和琪亚娜极乐净土中明暗渐变连续的Tone based Shading，以及结合pbr的次世代卡通渲染等。
GGX采用的就是Cel Shading，可以看到角色身上明显的明暗分界
琪亚娜的皮肤很显然是Tone based Shading……虫虫，我的虫虫，嘿嘿嘿
那么说到流派，既然要研究卡渲，那我们自然要选择一个流派去研究，这里我选择当然的是前面拿来举例、卡渲领域典中之典的罪恶装备(以下简称GGX，注意不是Cook-Torrance BRDF里那个GGX，笑)作为参考。
作为卡渲领域的里程碑作品，GGX的材质模型其实非常的简单，主要使用了三张贴图：BaseColor，ilm和SSS：
BaseColor：提供基础颜色
ilm：提供高光、阴影与内描边信息
SSS：提供模型阴影颜色信息，模型阴影颜色即为SSS * BaseColor
其中，最值得详谈的是ilm贴图，其RGBA四个通道分别存储了高光强度、阴影阈值、高光范围与内描边信息：
R通道：
高光强度，没什么好说的；
G通道：
阴影阈值，基于128灰度的底色，控制材质进入阴影的倾向强弱。
B通道
高光区域，决定了高光的范围。
A通道
内描边信息，著名的本村线；
除此以外，实际上GGX的卡渲方案还用到了一些贴图，比如角色的伤痕等，但这些对于ShadingModel来说都不重要，我们暂不去考虑。本来打算把卡渲的算法部分放在这里讲，但想了想不如丢到实现部分直接结合代码来讲……而且如果只是做一个简单卡渲模型的话，倒也不需要什么复杂的算法。
那么作为序言的第一篇就到此为止，下一篇开始，我们将在UE5内通过修改源码来实现第一个卡渲模型。