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二、光照模型篇:Matcap和CubeMap

二、光照模型篇:Matcap和CubeMap

作者: GameObjectLgy | 来源:发表于2021-02-04 02:10 被阅读0次

Matcat(Material Capture)和CubeMap都常用来模拟环境(注意是环境,不是环境光)的镜面反射,通常情况下还会加一个菲涅尔效果,以模拟金属和非金属不同质感。

Matcat原理算法:
  1. 将nDir从切线空间转到观察空间;
  2. 取RG通道Remap到(0~1),作为UV对Matcap图采样;
  3. 叠加菲涅尔效果,以模拟金属和非金属不同质感;
    简单说就是用View空间法线朝向,直接映射到模型表面的算法。
代码实现过程

原图:


5.png
  • 1.第一步采样Matcap
Shader "Unlit/Matcap01"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("_NormalMap", 2D) = "white" {}
        _Matcap("Matcap", 2D) = "gray" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

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

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv0      : TEXCOORD0;    // uv信息
                float3 normal   : NORMAL;       // 法线信息
                float4 tangent  : TANGENT;      // 切线信息
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;       // 屏幕顶点位置
                float2 uv0 : TEXCOORD0;         // uv信息
                float4 posWS : TEXCOORD1;       // 世界顶点位置
                float3 nDirWS : TEXCOORD2;      // 世界法线方向
                float3 tDirWS : TEXCOORD3;      // 世界切线方向
                float3 bDirWS : TEXCOORD4;      // 世界副切线方向
            };

            sampler2D _NormalMap;
            uniform sampler2D _Matcap;
            
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o = (v2f)0;           // 新建一个输出结构
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv0 = v.uv0;                                  // 传递uv信息
                o.posWS = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);   // 顶点位置 OS>WS
                o.nDirWS = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 法线方向 OS>WS
                o.tDirWS = normalize(mul(unity_ObjectToWorld, float4(v.tangent.xyz, 0.0)).xyz); // 切线方向 OS>WS
                o.bDirWS = normalize(cross(o.nDirWS, o.tDirWS) * v.tangent.w);  // 根据nDir tDir求bDir
                return o;
            }
            
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 准备向量
                float3 nDirTS = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, i.uv0)).rgb;//通过法线给更多的细节
                float3x3 TBN = float3x3(i.tDirWS, i.bDirWS, i.nDirWS);
                float3 nDirWS = normalize(mul(nDirTS, TBN));        // 计算nDirVS 计算Fresnel
                float3 nDirVS = mul(UNITY_MATRIX_V, nDirWS);        // 拿到观察空间的法线,用来计算MatcapUV
                // 准备中间变量
                float2 matcapUV = nDirVS.rg * 0.5 + 0.5;
                // 光照模型
                float3 matcap = tex2D(_Matcap, matcapUV);
                // 返回值
                return float4(matcap, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

得到一个看起来比较带金属感的效果
效果图:


6.png
  • 2.第一步采样环境
    用视空间下用法线直接采样一个多色渐变的环境
    结果:


    7.png
  • 3.做一些细节处理,最后效果:


    8.png
Shader "Unlit/Matcap01"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("_MainTex", 2D) = "white" {}
        _NormalMap("_NormalMap", 2D) = "white" {}
        _Matcap("Matcap", 2D) = "gray" {}
        _Matcap_add("Matcap Add", 2D) = "gray" {}
        _RampTex("Ramp Tex",2D) = "white"{}
        _FresnelPow("菲涅尔次幂", Range(0, 10)) = 1
        _MatcapIntensity("Matcap Intensity",Float) = 1.0
        _MatcapIntensity_add("Matcap Intensity Add",Float) = 1.0
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

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

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv0      : TEXCOORD0;    // uv信息
                float3 normal   : NORMAL;       // 法线信息
                float4 tangent  : TANGENT;      // 切线信息
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;       // 屏幕顶点位置
                float2 uv : TEXCOORD5;         // uv信息
                float2 uv0 : TEXCOORD0;         // uv信息
                float4 posWS : TEXCOORD1;       // 世界顶点位置
                float3 nDirWS : TEXCOORD2;      // 世界法线方向
                float3 tDirWS : TEXCOORD3;      // 世界切线方向
                float3 bDirWS : TEXCOORD4;      // 世界副切线方向
            };

            sampler2D _NormalMap;
            uniform sampler2D _Matcap;
            uniform sampler2D _Matcap_add;
            sampler2D _RampTex;
            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;
            uniform float _FresnelPow;
            float _MatcapIntensity;
            float _MatcapIntensity_add;
            
            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o = (v2f)0;           // 新建一个输出结构
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv0 = v.uv0;     
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv0, _MainTex);// 传递uv信息
                o.posWS = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);   // 顶点位置 OS>WS
                o.nDirWS = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 法线方向 OS>WS
                o.tDirWS = normalize(mul(unity_ObjectToWorld, float4(v.tangent.xyz, 0.0)).xyz); // 切线方向 OS>WS
                o.bDirWS = normalize(cross(o.nDirWS, o.tDirWS) * v.tangent.w);  // 根据nDir tDir求bDir
                return o;
            }
            
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 准备向量
                float3 nDirTS = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, i.uv0)).rgb;//通过法线给更多的细节
                float3x3 TBN = float3x3(i.tDirWS, i.bDirWS, i.nDirWS);
                float3 nDirWS = normalize(mul(nDirTS, TBN));        // 用来计算nDirVS 计算Fresnel
                float3 nDirVS = mul(UNITY_MATRIX_V, nDirWS);        // 拿到观察空间的法线,用来计算MatcapUV
                // 准备中间变量

                half4 diffuse_color = tex2D(_MainTex, i.uv);
                //Mapcap1
                float2 matcapUV = nDirVS.rg * 0.5 + 0.5;

                //Ramp
                half3 view_dir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWS);
                half NdotV = saturate(dot(i.nDirWS, view_dir));
                half fresnel = 1.0 - NdotV;
                half2 uv_ramp = half2(fresnel, 0.5);
                half4 ramp_color = tex2D(_RampTex, uv_ramp);

                // 光照模型
                float3 matcap = tex2D(_Matcap, matcapUV) * _MatcapIntensity;
                float3 matcap_add = tex2D(_Matcap_add, matcapUV) * _MatcapIntensity_add;
                // 返回值
                return float4(diffuse_color*matcap* ramp_color + matcap_add, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}
CubeMap原理算法:

将视角方向和法线向量点积,然后再进行发射,根据这个反射点对Cubemap采样。

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