Houdini平滑法线

Reference：(53 封私信 / 18 条消息) 少女前线2渲染还原分析—以Cheeta为例 – 知乎

法线外扩 https://zhuanlan.zhihu.com/p/508826073

名称	含义
法线外扩	顶点沿法线方向移动，是几何处理
BackFace	显示模型背面，是面剔除/渲染设置
Inverted Hull	将“法线外扩 + 正面剔除”组合起来的完整描边方案
平滑法线	让外扩方向更连续，改善描边质量

• 一般外部的轮廓线采用BackFace，内部的描边线采用法线外扩？

• 导入模型：
  • Convert to Y-up Coordinate System 可以开，因为 Unity 和 Houdini 都是 Y-up，通常不会有问题
  • Import As New Scene

• 新建

节点说明

• Capture Override：这个节点保留骨骼蒙皮信息。后面的处理必须从它之后开始，否则容易丢失 Skin Weights

• Fuse：作用是把位置非常接近的点合并，方便后面重新计算平滑法线
  • 很多游戏模型在 UV 接缝、硬边、材质分割处会有重复顶点。这些重复顶点虽然位置一样，但法线可能不一样。描边如果直接用这些法线，会在接缝处断裂
  • Snap Distance = 0.0001
    Fuse Snapped Points = 开
    Remove Repeated Vertices and Degenerate Primitives = 开
    Remove Unused Points from Degenerate Primitives = 开

• Normal 重新计算平滑法线
  • Compute Normals = 开
    Add Normals to = Points
    Weighting Method = By Vertex Angle
    Keep Original Normal Where Computed Normal Is Zero = 开

• PolyFrame
  • Entity = Points
    Style = Texture UV Gradient
    Tangent Name = tangent
    Bitangent Name = tangentv
    Make Frame Orthogonal = 开

• Attribute Wrangle
  • 主要做4件事情
    • 1. 读取原模型法线 N
      2. 从第二输入读取平滑描边法线
      3. 读取切线 tangent，构建切线空间
      4. 把平滑描边法线转成切线空间，并写入 uv3 / uv4
  • Houdini 和 Unity 的 UV 命名对应关系大致是：
    • Houdini uv → Unity UV0
    • Houdini uv2 → Unity UV1
    • Houdini uv3 → Unity UV2
    • Houdini uv4 → Unity UV3

不同材质球怎么知道读取哪个 UV？

就比如正常渲染的皮肤材质球和用于描边效果的材质球

看 Shader 代码里的 TEXCOORD。

struct Attributes
{
    float4 positionOS : POSITION;
    float3 normalOS   : NORMAL;
    float2 uv         : TEXCOORD0;
};

//然后采样贴图时：
float2 uv = TRANSFORM_TEX(input.uv, _BaseMap);
half4 baseTex = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, uv);

TEXCOORD0 = Unity UV0，所以你的皮肤 BaseMap、NormalMap、RMO 等，默认都是读 UV0。

Unity 描边方案

核心原理

BackFace 描边法

• 1. 正常 Pass 先渲染角色本体。
• 2. Renderer Feature 额外把角色 Mesh 再画一遍。
• 3. 第二次绘制时只画背面：Cull Front。
• 4. 顶点沿法线方向在屏幕空间外扩。
• 5. 外扩出来的背面部分露在模型边缘，形成黑色轮廓线。

不是后处理描边，而是几何体外扩描边

描边方案

• 角色原本负责皮肤、衣服、头发、丝袜、Ramp、PBR、MatCap 等正常渲染
• GF2_OutlineOnly 材质：
  只负责描边，不负责角色本体颜色。
• GF2CharacterOutlineFeature：
  在 URP 渲染流程中，把指定 Layer 的角色 Mesh 额外绘制一遍，并强制使用 GF2_OutlineOnly 材质

这样做的好处是：不需要修改每个角色 Shader。身体、头发、丝袜、脸部都可以继续使用原本材质，描边由 Renderer Feature 统一处理

Renderer Feature

Renderer Feature 的作用是：找到指定 Layer 的角色物体，并用统一的 Outline 材质重新绘制一次。

// 设置要绘制的物体范围：指定 Layer + 指定渲染队列
filteringSettings = new FilteringSettings(
    RenderQueueRange.all,
    profile.outlineLayerMask
);

// 创建绘制设置，使用角色原本 Shader 的常规 Pass 作为筛选入口
DrawingSettings drawingSettings =
    CreateDrawingSettings(
        shaderTagIdList[0],
        ref renderingData,
        sortingCriteria
    );

// 关键：用 OutlineOnly 材质覆盖原材质
// 这样角色本体 Shader 不需要加 Outline Pass
drawingSettings.overrideMaterial = profile.outlineMaterial;
drawingSettings.overrideMaterialPassIndex = profile.outlineMaterialPassIndex;

// 执行额外绘制
context.DrawRenderers(
    renderingData.cullResults,
    ref drawingSettings,
    ref filteringSettings,
    ref renderStateBlock
);

这段代码的关键点是：

overrideMaterial = profile.outlineMaterial

它表示：虽然场景里的角色原本用的是身体、头发、丝袜等材质，但 Renderer Feature 这次额外绘制时，会临时强制使用 GF2_OutlineOnly 材质。

所以最终效果是：

原材质画角色本体
OutlineOnly 材质额外画一遍描边

OutlineOnly Shader

• Cull Front ，这样距离摄像机近的正面永远不会被渲染，不会遮挡角色原本的材质

• 使用模型法线或平滑法线作为外扩方向
  • MeshNormal：
    直接用模型原法线外扩，简单稳定，但硬边和切缝处容易断。
  • UV2_UV3_TangentNormal：
    从 UV2 / UV3 读取预烘焙的平滑描边法线，线条更连续。

// 把模型法线转换到世界空间
half3 meshNormalWS =
    normalize(TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS));

// 默认使用模型原始法线
half3 outlineNormalWS = meshNormalWS;

// 如果选择 UV 平滑法线，则从 UV 中读取并转回世界空间
if (_OutlineNormalSource > 0.5h)
{
    half3 outlineNormalTS = GetOutlineNormalTS(input);

    half3 smoothNormalWS =
        OutlineTangentNormalToWorld(
            outlineNormalTS,
            meshNormalWS,
            input.tangentOS
        );

    outlineNormalWS = normalize(
        lerp(meshNormalWS, smoothNormalWS, _OutlineSmoothNormalStrength)
    );
}

• 屏幕空间像素宽度描边
  • 为了让描边宽度更接近“屏幕像素宽度”，不是直接在模型空间移动顶点，而是在裁剪空间中移动 positionCS.xy

// 世界空间位置转裁剪空间
float4 positionCS = posInput.positionCS;

// 把描边法线转到观察空间
half3 normalVS =
    normalize(mul((float3x3)UNITY_MATRIX_V, outlineNormalWS));

// 使用观察空间法线的 xy 作为屏幕扩张方向
float2 rawDir = normalVS.xy;
float rawLen = length(rawDir);

float2 dir = rawDir;

// 如果法线在屏幕上的投影太短，就不外扩，避免抖动和碎线
if (rawLen < _OutlineMinViewNormalLength)
{
    dir = float2(0.0, 0.0);
}
else
{
    dir /= rawLen;
}

// 将像素宽度换算为裁剪空间偏移
float2 pixelToClip =
    float2(2.0 / _ScreenParams.x, 2.0 / _ScreenParams.y);

// 按屏幕像素宽度外扩
positionCS.xy += dir * pixelWidth * pixelToClip * positionCS.w;

• 距离衰减：用于解决远距离观察时描边过粗、过黑、糊成一团的问题

half GetOutlineDistanceFade(float3 positionWS)
{
    float dist = distance(_WorldSpaceCameraPos.xyz, positionWS);

    float t = saturate(
        (dist - _OutlineDistanceFadeStart) /
        (_OutlineDistanceFadeEnd - _OutlineDistanceFadeStart)
    );

    // 平滑过渡
    t = t * t * (3.0 - 2.0 * t);

    // 近处为 1，远处变为 _OutlineDistanceFadeMin
    half fade = lerp(1.0h, _OutlineDistanceFadeMin, (half)t);

    return lerp(1.0h, fade, _UseOutlineDistanceFade);
}

最终参与描边宽度计算：

float pixelWidth =
    _OutlineWidthPixels *
    widthMask *
    distanceFade *
    innerSuppress *
    _UseOutline;

• 内侧线压制：BackFace 描边容易在腋下、手指缝、胸侧、小饰品等内凹区域产生黑块。因此增加了 Inner Line Suppress 来压制内侧杂线。

half GetInnerSuppressMask(float viewNormalXYLength)
{
    half edgeMask = smoothstep(
        _OutlineInnerSuppressThreshold,
        1.0h,
        saturate((half)viewNormalXYLength)
    );

    edgeMask = pow(saturate(edgeMask), _OutlineInnerSuppressPower);

    half suppress = lerp(
        1.0h,
        edgeMask,
        _OutlineInnerSuppressStrength
    );

    return lerp(1.0h, suppress, _UseOutlineInnerSuppress);
}

• 宽度 Mask：Mask 用来控制不同区域的描边粗细
  • 当前还没有正式使用 Mask，所以通常保持：Use Outline Width Mask = 0
    如果后续在 Houdini 或 Unity Baker 中写入区域 Mask，可以打开：
  • Use Outline Width Mask = 1 Outline Width Mask Source = UV3Y

half GetOutlineWidthMask(Attributes input)
{
    half rawMask = 1.0h;

    if (_OutlineWidthMaskSource > 0.5h && _OutlineWidthMaskSource < 1.5h)
        rawMask = input.color.a;

    if (_OutlineWidthMaskSource > 1.5h && _OutlineWidthMaskSource < 2.5h)
        rawMask = input.uv2.y;

    if (_OutlineWidthMaskSource > 2.5h)
        rawMask = input.uv3.y;

    rawMask = saturate(rawMask);
    rawMask = pow(rawMask, _OutlineWidthMaskPower);
    rawMask = max(rawMask, _OutlineMinWidthMask);

    return lerp(1.0h, rawMask, _UseOutlineWidthMask);
}

Inspector 中可调整参数说明

• Outline Shape

参数	作用
Use Outline	是否启用描边。1 为开启，0 为关闭。
Outline Width Pixels	描边宽度，近似屏幕像素单位。值越大描边越粗。
Outline Color	描边颜色。二游角色一般不要用纯黑，建议用深棕黑、深灰黑或深紫黑。

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• Outline Normal Source

参数	作用
Outline Normal Source	选择描边外扩使用的法线来源。
MeshNormal	使用模型原始法线。简单稳定，但硬边、切缝处可能断。
UV1_UV2_TangentNormal	从 Unity UV1 / UV2 读取平滑描边法线。
UV2_UV3_TangentNormal	从 Unity UV2 / UV3 读取平滑描边法线，当前推荐预留方案。
Outline Smooth Normal Strength	平滑法线混合强度。0 为原始法线，1 为完全使用平滑法线。
Outline Min View Normal Length	抑制正对镜头方向的异常外扩。值过大可能导致部分线消失，值过小可能出现碎线。
Outline Clip Space Z Offset	深度偏移，用于缓解描边和本体深度冲突。一般保持 0。

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• Outline Distance Fade

参数	作用
Use Outline Distance Fade	是否启用远距离描边衰减。
Distance Fade Start	从多远开始让描边变细。
Distance Fade End	到多远时达到最细状态。
Distance Fade Min Width	远距离最小保留描边宽度比例。值越低，远处描边越细。

推荐作用：

近距离保留清晰线条。
远距离自动变细，避免角色变成一团黑边。

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• Outline Inner Line Suppress

参数	作用
Use Inner Line Suppress	是否启用内侧线压制。
Inner Suppress Strength	压制强度。越大，腋下、手指缝、小饰品黑线越少。
Inner Suppress Threshold	压制阈值。越大，压制范围越广。
Inner Suppress Power	压制曲线。越大，过渡越集中，线条更干净但可能更容易断。

调参思路：

腋下、手指缝黑块太重：
提高 Strength / Threshold。

外轮廓也被压没：
降低 Strength / Threshold。

• Outline Width Mask

参数	作用
Use Outline Width Mask	是否启用宽度 Mask。
Outline Width Mask Source	选择从哪里读取宽度 Mask。
Constant	不读 Mask，全身统一宽度。
VertexColorA	从顶点色 A 通道读取宽度。
UV2Y	从 Unity UV2.y 读取宽度。
UV3Y	从 Unity UV3.y 读取宽度，当前预留推荐通道。
Outline Width Mask Power	控制 Mask 曲线。大于 1 会让灰色区域更细。
Outline Min Width Mask	Mask 最低保留值，防止某些地方完全断线。

当前阶段一般关闭：

Use Outline Width Mask = 0

后续需要手动画区域粗细时再打开。

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• Advanced

参数	作用
Outline Bitangent Sign	修正切线空间副切线方向。只有使用 UV 平滑法线时才重要。描边方向异常时可在 1 和 -1 之间切换。

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• Render State

参数	作用
Outline Cull Mode	描边绘制面。BackFace 描边应设置为 Front，即 Cull Front，只画背面。
Outline ZTest	深度测试方式。一般用 LessEqual，避免描边乱穿透。
Debug Mode	调试模式。0 为正常描边，其他模式用于检查法线、Mask、距离衰减、内线压制等。

迭代改进与问题修复记录

• 最初是在身体 Shader 里直接加入第二个 Outline Pass：

ForwardLit Pass：正常渲染身体。
Outline Pass：Cull Front 后沿法线外扩，生成描边。

优点是效果直接，身体材质自己就能描边。
问题是：如果脸、头发、丝袜、衣服都有不同 Shader，就需要每个 Shader 都复制一份 Outline Pass，维护成本高。

• 头发和丝袜特殊处理预留

Renderer Feature 中预留了不同 Profile：

Body / Opaque
Hair / Alpha Reserved
Stocking / Transparent Reserved

后续可以通过不同 Layer + 不同 OutlineOnly 材质，让身体、头发、丝袜分别使用不同描边参数

Reference：https://zhuanlan.zhihu.com/p/508826073