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

塞翁364

这篇文章将基于MatCap的思想，在Unity中实现具有高度真实感的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接近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、高真实感的移动平台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（渲染于Unity 5.5.0）。







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。如下图：




这两张图来自（http://digitalrune.github.io/DigitalRune-Documentation/html/9a8c8b37-b996-477a-aeab-5d92714be3ca.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中的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] https://www.pinterest.com/evayali/matcap/
[2]https://www.google.com.hk/search?q=MatCap&newwindow=1&safe=strict&hl=zh-CN&biw=1575&bih=833&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwju8JDTpZnSAhUGn5QKHawODTIQsAQIIg
[3]http://pixologic.com/zbrush/downloadcenter/library/#prettyPhoto

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（http://blog.csdn.net/ndsc_dw/article/details/50700201）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：

1. Shader "ShaderPrac/Car Paint Shader"
2. {
3.         Properties
4.         {
5.                 //主颜色
6.                 _MainColor("Main Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
7.                 //细节颜色
8.                 _DetailColor("Detail Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
9.                 //细节纹理
10.                 _DetailTex("Detail Textrue", 2D) = "white" {}
11.                 //细节纹理深度偏移
12.                 _DetailTexDepthOffset("Detail Textrue Depth Offset", Float) = 1.0
13.                 //漫反射颜色
14.                 _DiffuseColor("Diffuse Color", Color) = (0.0, 0.0, 0.0, 0.0)
15.                 //漫反射纹理
16.                 _DiffuseTex("Diffuse Textrue", 2D) = "white" {}
17.                 //Material Capture纹理
18.                 _MatCap("MatCap", 2D) = "white" {}
19.                 //反射颜色
20.                 _ReflectionColor("Reflection Color", Color) = (0.2, 0.2, 0.2, 1.0)
21.                 //反射立方体贴图
22.                 _ReflectionMap("Reflection Cube Map", Cube) = "" {}
23.                 //反射强度
24.                 _ReflectionStrength("Reflection Strength", Range(0.0, 1.0)) = 0.5
25.         }
27.         SubShader
28.         {
29.                 Tags
30.                 {
31.                         "Queue" = "Geometry"
32.                         "RenderType" = "Opaque"
33.                 }
35.                 Pass
36.                 {
37.                         Blend Off
38.                         Cull Back
39.                         ZWrite On
41.                         CGPROGRAM
42.                         #include "UnityCG.cginc"
43.                         #pragma fragment frag
44.                         #pragma vertex vert
46.                         float4 _MainColor;
47.                         float4 _DetailColor;
48.                         sampler2D _DetailTex;
49.                         float4 _DetailTex_ST;
50.                         float _DetailTexDepthOffset;
51.                         float4 _DiffuseColor;
52.                         sampler2D _DiffuseTex;
53.                         float4 _DiffuseTex_ST;
54.                         sampler2D _MatCap;
55.                         float4 _ReflectionColor;
56.                         samplerCUBE _ReflectionMap;
57.                         float _ReflectionStrength;
59.                         //顶点输入结构
60.                         struct VertexInput
61.                         {
62.                                 float3 normal : NORMAL;
63.                                 float4 position : POSITION;
64.                                 float2 UVCoordsChannel1: TEXCOORD0;
65.                         };
67.                         //顶点输出(片元输入)结构
68.                         struct VertexToFragment
69.                         {
70.                                 float3 detailUVCoordsAndDepth : TEXCOORD0;
71.                                 float4 diffuseUVAndMatCapCoords : TEXCOORD1;
72.                                 float4 position : SV_POSITION;
73.                                 float3 worldSpaceReflectionVector : TEXCOORD2;
74.                         };
76.                         //------------------------------------------------------------
77.                         // 顶点着色器
78.                         //------------------------------------------------------------
79.                         VertexToFragment vert(VertexInput input)
80.                         {
81.                                 VertexToFragment output;
83.                                 //漫反射UV坐标准备：存储于TEXCOORD1的前两个坐标xy。
84.                                 output.diffuseUVAndMatCapCoords.xy = TRANSFORM_TEX(input.UVCoordsChannel1, _DiffuseTex);
86.                                 //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
87.                                 output.diffuseUVAndMatCapCoords.z = dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz), normalize(input.normal));
88.                                 output.diffuseUVAndMatCapCoords.w = dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz), normalize(input.normal));
89.                                 //归一化的法线值区间[-1,1]转换到适用于纹理的区间[0,1]
90.                                 output.diffuseUVAndMatCapCoords.zw = output.diffuseUVAndMatCapCoords.zw * 0.5 + 0.5;
92.                                 //坐标变换
93.                                 output.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, input.position);
95.                                 //细节纹理准备准备UV,存储于TEXCOORD0的前两个坐标xy
96.                                 output.detailUVCoordsAndDepth.xy = TRANSFORM_TEX(input.UVCoordsChannel1, _DetailTex);
97.                                
98.                                 //深度信息准备,存储于TEXCOORD0的第三个坐标z
99.                                 output.detailUVCoordsAndDepth.z = output.position.z;
101.                                 //世界空间位置
102.                                 float3 worldSpacePosition = mul(unity_ObjectToWorld, input.position).xyz;
104.                                 //世界空间法线
105.                                 float3 worldSpaceNormal = normalize(mul((float3x3)unity_ObjectToWorld, input.normal));
107.                                 //世界空间反射向量
108.                                 output.worldSpaceReflectionVector = reflect(worldSpacePosition - _WorldSpaceCameraPos.xyz, worldSpaceNormal);
109.                                
110.                                 return output;
111.                         }
113.                         //------------------------------------------------------------
114.                         // 片元着色器
115.                         //------------------------------------------------------------
116.                         float4 frag(VertexToFragment input) : COLOR
117.                         {
118.                                 //镜面反射颜色
119.                                 float3 reflectionColor = texCUBE(_ReflectionMap, input.worldSpaceReflectionVector).rgb * _ReflectionColor.rgb;
121.                                 //漫反射颜色
122.                                 float4 diffuseColor = tex2D(_DiffuseTex, input.diffuseUVAndMatCapCoords.xy) * _DiffuseColor;
124.                                 //主颜色
125.                                 float3 mainColor = lerp(lerp(_MainColor.rgb, diffuseColor.rgb, diffuseColor.a), reflectionColor, _ReflectionStrength);
127.                                 //细节纹理
128.                                 float3 detailMask = tex2D(_DetailTex, input.detailUVCoordsAndDepth.xy).rgb;
130.                                 //细节颜色
131.                                 float3 detailColor = lerp(_DetailColor.rgb, mainColor, detailMask);
133.                                 //细节颜色和主颜色进行插值，成为新的主颜色
134.                                 mainColor = lerp(detailColor, mainColor, saturate(input.detailUVCoordsAndDepth.z * _DetailTexDepthOffset));
136.                                 //从提供的MatCap纹理中，提取出对应光照信息
137.                                 float3 matCapColor = tex2D(_MatCap, input.diffuseUVAndMatCapCoords.zw).rgb;
139.                                 //最终颜色
140.                                 float4 finalColor=float4(mainColor * matCapColor * 2.0, _MainColor.a);
142.                                 return finalColor;
143.                         }
145.                         ENDCG
146.                 }
147.         }
149.         Fallback "VertexLit"
150. }

复制代码

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http://www.lighthouse3d.com/tutorials/glsl-12-tutorial/the-normal-matrix或者http://www.cnblogs.com/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：

1. //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
2. output.diffuseUVAndMatCapCoords.z =dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz), normalize(input.normal));
3. output.diffuseUVAndMatCapCoords.w= dot(normalize(UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz), normalize(input.normal));

复制代码

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：

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

复制代码

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：

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

复制代码

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

六、参考与延伸

[1] http://wiki.unity3d.com/index.php/MatCap
[2] https://www.assetstore.unity3d.com/en/#!/content/8221
[3] http://blog.csdn.net/cubesky/article/details/38682975
[4] https://www.assetstore.unity3d.com/en/#!/content/76361
[5] http://www.cnblogs.com/flytrace/p/3379816.html
[6] http://www.cnblogs.com/flytrace/p/3395911.html
[7] http://digitalrune.github.io/DigitalRune-Documentation/html/9a8c8b37-b996-477a-aeab-5d92714be3ca.htm
[8] https://forum.unity3d.com/threads/_object2world-or-unity_matrix_it_mv.112446/
[9]http://www.lighthouse3d.com/tutorials/glsl-12-tutorial/the-normal-matrix

With Best Wishes.