【Unity Shader编程】之十六 基于MatCap实现适于移动平台的“次时代”车漆Shader

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【Unity Shader编程】之十六 基于MatCap实现适于移动平台的“次时代”车漆Shader

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渲染本文配图使用的Unity3D版本： 5.5.0

这篇文章将基于MatCap的思想，在Unity中实现了具有高度真实感的MatCap车漆Shader。采用MatCap思想的Shader，用低廉的计算成本，就可以达到类似PBS非常真实的渲染效果，可谓是在移动平台实现次时代渲染效果的一种优秀解决方案。

本文以车漆Shader为例，但MatCap思想能实现的，并不局限于车漆Shader。本来准备给本文取名《一种基于MatCap的低计算成本、高真实感移动平台Shader解决方案》的，但这个名字太大了，遂改之。

先看一下最终的效果图。

 

 

 

 

一、MatCap概述

Material Capture(材质捕获)，通常被简称为MatCap，在Zbrush、Sculptris、Mudbox等3D软件中有比较多的使用。

MatCap Shader的基本思路是，使用某特定材质球的贴图，作为当前材质的视图空间环境贴图（view-space environment map），来实现具有均匀表面着色的反射材质物体的显示。考虑到物体的所有法线的投影的范围在x(-1,1),y(-1,1),构成了一个圆形，所以MatCap 贴图中存储光照信息的区域是一个圆形。

基于MatCap思想的Shader，可以无需提供任何光照，只需提供一张或多张合适的MatCap贴图作为光照结果的“指导”即可。

上图来自（.htm）

不像一般的Shader，需要提供光照，需要在Shader代码中进行漫长的演算，基于MatCap思想的Shader相当于MatCap贴图就把光照结果应该是怎样的标准答案告知Shader，我们只用在试卷下写出答案，进行一些加工即可。

需要注意，MatCap Shader有一定的局限性。因为从某种意义上来说，基于MatCap的Shader，就是某种固定光照条件下，从某个特定方向，特定角度的光照表现结果。

正是因为是选择的固定的MatCap贴图，得到相对固定的整体光照表现，若单单仅使用MatCap，就仅适用于摄像机不调整角度的情形，并不适合摄像机会频繁旋转，调节角度的情形。但我们可以在某些Shader中，用MatCap配合与光照交互的其他属性，如将MatCap结合一个作为光照反射的颜色指导的Reflection Cube Map，就有了与光照之间的交互表现。这样，就可以适当弥补MatCap太过单一整体光照表现的短板。

关于MatCap，《UnityShaders and Effects Cookbook》一书的Chapter 5: LightingModels中，The Lit Sphere lighting model一节也有一些涉及。

二、MatCap贴图的获取

 需要使用基于MatCap Shader，合适的MatCap 贴图必不可少。显而易见，MatCap贴图的获取，一般来说有两种方式。

1. 自己制作。对着3D软件中的材质球截图。

2. 从网络上获取。在网络上使用“matcap“等关键字搜索后获得。

这边提供几个可以获取MatCap贴图的网址：

[1] /

[2]=MatCap&newwindow=1&safe=strict&hl=zh-CN&biw=1575&bih=833&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwju8JDTpZnSAhUGn5QKHawODTIQsAQIIg

[3]

 

三、基于MatCap实现Physically Based Shading的思路简析

 

关于基于MatCap思想实现Physicallybased Shading，这篇文章（）提供了一定的思路，简单来说，就是用几张MatCap贴图来提供PBS需要的光滑度和金属度，来模拟出PBS的效果。继续展开下去就脱离本文的主线了，有兴趣的朋友可以深入进行了解。

 

四、基于MatCap思想的车漆Shader实现

 

此车漆Shader，除了用到MatCap，主要还需要提供一个Reflection Cube Map作为反射的颜色指导，就可以适当弥补MatCap太过单一的整体光照表现的短板，实现非常真实且高效的车漆Shader效果。

此Shader赋给Material后，Material在Inspector中的属性表现如下：

其中的MatCap贴图为：

 

Shader源码如下：

Shader "ShaderPrac/Car Paint Shader"
{Properties{//主颜色_MainColor("Main Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)//细节颜色_DetailColor("Detail Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)//细节纹理_DetailTex("Detail Textrue", 2D) = "white" {}//细节纹理深度偏移_DetailTexDepthOffset("Detail Textrue Depth Offset", Float) = 1.0//漫反射颜色_DiffuseColor("Diffuse Color", Color) = (0.0, 0.0, 0.0, 0.0)//漫反射纹理_DiffuseTex("Diffuse Textrue", 2D) = "white" {}//Material Capture纹理_MatCap("MatCap", 2D) = "white" {}//反射颜色_ReflectionColor("Reflection Color", Color) = (0.2, 0.2, 0.2, 1.0)//反射立方体贴图_ReflectionMap("Reflection Cube Map", Cube) = "" {}//反射强度_ReflectionStrength("Reflection Strength", Range(0.0, 1.0)) = 0.5}SubShader{Tags{"Queue" = "Geometry""RenderType" = "Opaque"}Pass{Blend OffCull BackZWrite OnCGPROGRAM#include "UnityCG.cginc"#pragma fragment frag#pragma vertex vertfloat4 _MainColor;float4 _DetailColor;sampler2D _DetailTex;float4 _DetailTex_ST;float _DetailTexDepthOffset;float4 _DiffuseColor;sampler2D _DiffuseTex;float4 _DiffuseTex_ST;sampler2D _MatCap;float4 _ReflectionColor;samplerCUBE _ReflectionMap;float _ReflectionStrength;//顶点输入结构struct VertexInput{float3 normal : NORMAL;float4 position : POSITION;float2 UVCoordsChannel1: TEXCOORD0;};//顶点输出(片元输入)结构struct VertexToFragment{float3 detailUVCoordsAndDepth : TEXCOORD0;float4 diffuseUVAndMatCapCoords : TEXCOORD1;float4 position : SV_POSITION;float3 worldSpaceReflectionVector : TEXCOORD2;};//------------------------------------------------------------// 顶点着色器//------------------------------------------------------------VertexToFragment vert(VertexInput input){VertexToFragment output;//漫反射UV坐标准备：存储于TEXCOORD1的前两个坐标xy。output.diffuseUVAndMatCapCoords.xy = TRANSFORM_TEX(input.UVCoordsChannel1, _DiffuseTex);//MatCap坐标准备：将法线从模型空间转换到观察空间，存储于TEXCOORD1的后两个纹理坐标zwoutput.diffuseUVAndMatCapCoords.z = dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz), normalize(input.normal));output.diffuseUVAndMatCapCoords.w = dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz), normalize(input.normal));//归一化的法线值区间[-1,1]转换到适用于纹理的区间[0,1]output.diffuseUVAndMatCapCoords.zw = output.diffuseUVAndMatCapCoords.zw * 0.5 + 0.5;//坐标变换output.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, input.position);//细节纹理准备准备UV,存储于TEXCOORD0的前两个坐标xyoutput.detailUVCoordsAndDepth.xy = TRANSFORM_TEX(input.UVCoordsChannel1, _DetailTex);//深度信息准备,存储于TEXCOORD0的第三个坐标zoutput.detailUVCoordsAndDepth.z = output.position.z;//世界空间位置float3 worldSpacePosition = mul(unity_ObjectToWorld, input.position).xyz;//世界空间法线float3 worldSpaceNormal = normalize(mul((float3x3)unity_ObjectToWorld, input.normal));//世界空间反射向量output.worldSpaceReflectionVector = reflect(worldSpacePosition - _WorldSpaceCameraPos.xyz, worldSpaceNormal);return output;}//------------------------------------------------------------// 片元着色器//------------------------------------------------------------float4 frag(VertexToFragment input) : COLOR{//镜面反射颜色float3 reflectionColor = texCUBE(_ReflectionMap, input.worldSpaceReflectionVector).rgb * _ReflectionColor.rgb;//漫反射颜色float4 diffuseColor = tex2D(_DiffuseTex, input.diffuseUVAndMatCapCoords.xy) * _DiffuseColor;//主颜色float3 mainColor = lerp(lerp(_MainColor.rgb, diffuseColor.rgb, diffuseColor.a), reflectionColor, _ReflectionStrength);//细节纹理float3 detailMask = tex2D(_DetailTex, input.detailUVCoordsAndDepth.xy).rgb;//细节颜色float3 detailColor = lerp(_DetailColor.rgb, mainColor, detailMask);//细节颜色和主颜色进行插值，成为新的主颜色mainColor = lerp(detailColor, mainColor, saturate(input.detailUVCoordsAndDepth.z * _DetailTexDepthOffset));//从提供的MatCap纹理中，提取出对应光照信息float3 matCapColor = tex2D(_MatCap, input.diffuseUVAndMatCapCoords.zw).rgb;//最终颜色float4 finalColor=float4(mainColor * matCapColor * 2.0, _MainColor.a);return finalColor;}ENDCG}}Fallback "VertexLit"
}

Shader注释已经比较详细，下面对代码中也许会不太理解，需要注意的地方进行说明。

要使用MatCap贴图，主要是将法线从模型空间转换到视图空间，并切换到适合提取纹理UV的区域[0,1]。（需要将法线从模型空间转换到视图空间，关于一些推导可以参考://wwwblogs/flytrace/p/3379816.html）

Unity内置的矩阵UNITY_MATRIX_IT_MV，是UNITY_MATRIX_MV的逆转置矩阵，其作用正是将法线从模型空间转换到观察空间。于是顶点着色器vert中的这两句代码就很容易理解了：

//MatCap坐标准备：将法线从模型空间转换到观察空间，存储于TEXCOORD1的后两个纹理坐标zw
output.diffuseUVAndMatCapCoords.z =dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz), normalize(input.normal));
output.diffuseUVAndMatCapCoords.w= dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz), normalize(input.normal));

而得到的视图空间的法线，区域是[-1，1],要转换到提取纹理UV的区域[0,1]，就需要乘以0.5并加上0.5，那么顶点着色器vert中接下来的的这句代码也就可以理解了：

 

//归一化的法线值区间[-1,1]转换到适用于纹理的区间[0,1]
output.diffuseUVAndMatCapCoords.zw= output.diffuseUVAndMatCapCoords.zw * 0.5 + 0.5;

稍后，在片元着色器frag中，用在顶点着色器vert中准备好的法线转换成的UV值，提取出MatCap的光照细节即可：

//从提供的MatCap纹理中，提取出对应光照信息
float3matCapColor = tex2D(_MatCap, input.diffuseUVAndMatCapCoords.zw).rgb;

此Car Paint Shader其他实现，主要就是一些基本的Shader知识点的配合，如顶点坐标转换，反射，漫反射，细节纹理的计算，都是比较基础的内容，这里就不再赘述，直接看Shader源码即可。

最后看几张截图，然后就是相关Shader与MatCap资源的下载：

 

五、Shader源码与MatCap资源下载

从Github下载：

【Github】Shader源码与相关MatCap资源下载

 

 

参考与延伸

 

[1] .php/MatCap

[2] !/content/8221

[3]

[4] !/content/76361

[5] .html

[6] .html

[7] .htm

[8] .112446/

[9]

With Best Wishes.