【Shaderlab练习】T_MatcapBase Material Capture(材质捕获)基础介绍

Github

https://github.com/l2xin/ZT_ShaderLearning/tree/master/Assets/L2xin/005_MatcapBase

Matcap是什么

MatCap (Material Capture) shader, for displaying objects with reflective materials with uniform surface colouring, like Zbrush or Mudbox can. It uses an image of a sphere as a view-space environment map. It’s very cheap, and looks great when the camera doesn’t rotate.

qianmo的文章：

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。

效果gif

AssetStore中资源展示：
自己做的：

Matcap优缺点

优点

运算效率极高，计算成本极低，在很多场合却能够替代PBR。用Unlit级别的计算成本，获得3A级的渲染效果。

简单情况：只需简单更换Matcap贴图就能实现各种神奇的渲染效果。

复杂模型：可以通过几张简单的Matcap贴图组合来实现模型上各部位细节差异。

缺点

Matcap无法响应光源与相机位置的变化，原因很简单——Matcap采样贴图是静态的，通过相机空间映射的。

Matcap贴图获取

一般可以在Zbrush/MarmosetToolbag等软件中自己制作。

也可以在网上直接下载一些别人制作好的（pinterest.com有非常多）:

在这里插入图片描述

Shaderlab实现

第一种：

v2f vert (a2v v)
{
    v2f o;
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    o.viewNormal = mul(UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal);
    return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    fixed4 matcapColor = tex2D(_MatcapTex, i.viewNormal.xy* 0.5 + 0.5);
    return col * matcapColor;
}

第二种：

v2f vert (a2v v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
    
    float3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
    viewNormal = mul((float3x3)UNITY_MATRIX_V, worldNormal);
    o.matcapUV = viewNormal.xy * 0.5 + 0.5;

    return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    fixed4 matcapColor = tex2D(_MatcapTex, i.matcapUV);
    return col * matcapColor;
}

UNITY_MATRIX_IT_MV

把normal转换到view视图以获得一个(-1,1)区间的数值：

o.viewNormal = mul(UNITY_MATRIX_IT_MV, v.normal);

首先，看一下Unity Doc中的描述：


UNITY_MATRIX_IT_MV	float4x4	Inverse transpose of model * view matrix.

然后我们来看一下UNITY_MATRIX_IT_MV实际的变换意义：

The transpose of World2Object is the transpose of the inverse of the Object2World matrix.

MV transforms points from object to eye space
IT_MV rotates normals from object to eye space

And similarly:

Object2World transforms points from object to world space
IT_Object2World (which, as you point out, is the transpose of World2Object) rotates normals from object to world space

If it is orthogonal, the upper-left 3x3 of Object2World will be equal to that of IT_Object2World, and so will also rotate normals from object to world space.

之所以法线不能直接使用UNITY_MATRIX_MV进行变换，是因为法线是向量，具有方向，在进行空间变换的时候，如果发生非等比缩放，方向会发生偏移。我们可以简单的把法线和切线当成三角形的两条边，显然，三角形在空间变换的时候，不管是平移，还是旋转，或者是等比缩放，都不会变形，但是如果非等比缩放，就会发生拉伸。所以法线和切线的夹角也就会发生变化。（而切线在变换前后，方向总是正确的，所以法线方向就不正确了）。

结论：

对顶点Object2View变换使用MV矩阵，对normal变换使用IT_MV矩阵。

公式：

顶点变换矩阵： $\vec{M}$
法向量变换矩阵： $\vec{G}$ = $({\vec{M}^{-1}})^{T}$

详细推导过程：

Normal Matrix - 对法向量（Normal）的变换矩阵的推导

其他

如何利用Matcap实现基本PBR光照模型以及混合材质还没尝试，后面和TA交流请教一下。