Matcap Shader 詳解【1】 - 基礎思想與Unity中實現

來自專欄技術美術 ShadingArtist小屋

Matcap簡介

Matcap Shader是一種在某些層面能替代甚至超越PBR的次時代渲染方案。

它的效率極高、計算成本極低，顯示效果極佳，卻能完美運行於不同的移動平台，併兼容AR、VR設備，所以極具研究與實用價值。

但Matcap也有很多局限性和缺點，此系列文章就是用於講解Matcap的實現方法與針對其問題的優化。

Unity Community Wiki 中將其定義為：

用於均一表面反射材質的著色器，在Zbrush/Mudbox等軟體中被廣泛運用。它藉助一幅含有球面的圖片作為視線空間的環境映射，計算成本非常低廉，當相機不轉動時視覺效果極其出色。

Matcap原理

Matcap的原理並不複雜，就是使用一張中間為球面的圖片作為不同法線方向的光照顏色，然後將這些顏色根據模型的法線信息渲染到相應位置。

例如下圖圖二（黑白）中，球形就是Matcap貼圖，箭頭代表了右下朝向的法線，車與人的模型法線朝向此相同方向時，就會渲染為球形貼圖上相應點的顏色——白色。

Matcap的優點

正如文章開始所說，Matcap一大優勢是——運算效率極高，計算成本極低，在很多場合卻能夠替代PBR。用Unlit級別的計算成本，獲得3A級的渲染效果，這正是Matcap吸引人的地方。

除此之外，Matcap也擁有PBR不具備的優勢——充滿了很多新的可能性，只需簡單更換Matcap貼圖，就能實現各種神奇的渲染效果。具體請看下方示例，每幅左上角為Matcap取樣貼圖。

如何實現Matcap

Matcap的原理簡單，實現起來也並不複雜，下面是基礎Matcap在U3D中的實現代碼：

Shader "TJia/Matcap_Basic" { Properties { _MatCapDiffuse ("MatCapDiffuse (RGB)", 2D) = "white" {} } Subshader { Tags { "RenderType"="Opaque" } Pass { Tags { "LightMode" = "Always" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc" struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; float2 NtoV : TEXCOORD1; }; v2f vert (appdata_tan v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos (v.vertex); o.NtoV.x = mul(UNITY_MATRIX_IT_MV[0], v.normal); o.NtoV.y = mul(UNITY_MATRIX_IT_MV[1], v.normal); return o; } uniform sampler2D _MatCapDiffuse; float4 frag (v2f i) : COLOR { fixed4 matcapLookup = tex2D(_MatCapDiffuse, i.NtoV * 0.5 + 0.5); fixed4 finalColor = matcapLookup; return finalColor; } ENDCG } }}

說明：

1. LightMode 為 Alyaws，這樣無論是否有燈光都會渲染
2. UNITY_MATRIX_IT_MV 用於 將法線從模型空間轉化到視覺空間，以便映射Matcap採樣貼圖，使用方法可自行查詢

3. NtoV（視覺空間下的二維法線向量）值域為[-1,1]，而貼圖UV的定義域是[0,1]，所以用 uv = i.NtoV * 0.5 + 0.5 的方法進行了映射

最終結果如下，可以更換MatcapDiffuse來更換渲染效果：

基礎Matcap的缺陷

Matcap最初廣泛用於ZBrush等3D雕刻軟體，並沒有固有色貼圖、法線貼圖等需要，所以 Unity Community Wiki 才將其定義為均一表面顏色使用的著色方法。

正因如此，基礎Matcap的第一個缺陷就是只適用於單一材質、單一固有色且無法線貼圖細節的模型

此外，經典BPR光照模型還包含了漫反射、高光反射、菲涅爾、金屬度、光滑度等參數，也是基礎Matcap不具備的（第二個缺陷）

第三個缺陷是Matcap無法響應光源與相機位置的變化，原因很簡單——Matcap採樣貼圖是靜態的，通過相機空間映射的

第四個問題在於Matcap只能表現單一質感，不支持多種質感或者混合質感的材質

最後的問題是，Matcap在平面、圓柱體及相近形體的渲染上效果並不好（見下圖）

Matcap在平面及圓柱體渲染上表現很糟

針對以上缺陷，我提出了一些優化的方案，以解決Matcap面對的部分問題，在保留它優點的基礎上進一步提高其實用性。

每個缺陷的具體原因及解決方法可以參考此系列之後的文章。

系列鏈接（未完待續）：

Matcap Shader 詳解【1】 - 基礎思想與Unity中實現

Matcap Shader 詳解【2】 - Matcap的固有色貼圖與法線貼圖

Matcap Shader 詳解【3】 - 利用Matcap實現基本PBR光照模型

Matcap Shader 詳解【4】 - 多材質與混合材質