Unity Shader 学习 MatCap

简介

MatCap全称MaterailCapture，纹理存储光照信息，通过法线的xy分量去采样MatCap纹理，得到在该方向法线的光照信息，性能好，但表现依靠于纹理制作的好坏。

实现

Shader "Unlit/SimpleMatCapShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _MatCap("MatCap", 2D) = "white" {}
        _MatCapFactor("MatCapFactor", Range(0,5)) = 1
        _EnvTex("EnvTex (CubeMap)", Cube) = "_SkyBox" {}
        _EnvFactor("EnvStrength", Range(0,1)) = 0.8
    }

    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 twoUv : TEXCOORD0;//主纹理uv存xy,matCapUv存在zw,这算一种优化
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 RefDir : TEXCOORD1;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;
            sampler2D _MatCap;
            half _MatCapFactor;
            samplerCUBE _EnvTex;
            half _EnvFactor;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
                o.twoUv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
                //matcap存的其实是：法线中xy分量作为uv，对应的光照颜色信息，即用xy去采样就好，注：xy必须是归一化法线中的分量，故z才没必要
                o.twoUv.zw = UnityObjectToWorldNormal(v.normal).xy;
                o.twoUv.zw = o.twoUv.zw * 0.5 + 0.5;//(-1,1)->(0,1)
                float3 wolrdN = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.RefDir = reflect(-WorldSpaceViewDir(v.vertex), wolrdN);
                return o;
            }
            
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // sample the texture
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.twoUv.xy);
                fixed4 mapCapCol = tex2D(_MatCap, i.twoUv.zw);
                fixed4 reflection = texCUBE(_EnvTex, i.RefDir);
                col.rgb = col.rgb * mapCapCol.rgb * _MatCapFactor + reflection.rgb * _EnvFactor;
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

问题和思考

1. 为什么matcap的图是圆的？

   物体的法线归一化之后可能朝向各个方向(忽略背面)，以顶点为原点,朝向各个方向，就会形成一个半圆。

2. 为什么直接就可以使用法线的xy就可以做uv呢？

参考

[1] 尝试MatCap类型shader

[2] 对SSS Matcap贴图的研究 - Chain

[3] MatCaps - A huge library of MatCap textures in PNG and ZMT. - github

[4] Matcap Shader 详解【6】-平面渲染与更佳的反射// 需要学习一下

[5] matcap 的制作与渲染