MatCap模拟光照效果实现

大家好，我是阿赵
之前介绍过各种光照模型的实现方法。那些光照模型的实现虽然有算法上的不同，但基本上都是灯光方向和法线方向的计算得出的明暗结果。
下面介绍一种叫做MatCap的模拟光照效果，这种方式计算非常简单，脱离灯光的计算，并可以实现比较好的高光阴影效果。

一、什么是MatCap

1、MatCap的介绍：

MatCap是Material Capture的缩写，意思是“材质捕获”。
听名字好像很高端并且深奥，实际上却并不是什么很深奥的东西。
MatCap贴图的样子一般是这样的：

2、MatCap的实现原理

MatCap实现的原理很简单，把物体的世界空间法线，转换到观察空间，然后用这个值作为UV，采样MatCap贴图。所以，如果当物体是一个球体的时候，它的法线角度应该是刚刚好和MatCap贴图完全一样，所以，如果把MatCap材质赋给一个球体，它应该是会得到和MatCap贴图一样的效果，比如我拿上面那张MatCap贴图放到MatCap材质球里面，会得到这样的效果：

如果物体不是一个球形，由于各个面的法线变化，所以会得到这样的效果：

不过如果直接算世界法线转观察空间法线，会存在一个问题，如果物体偏离视窗中心点之后，会在物体边缘出现一些奇怪的颜色

这是因为我们的MatCap贴图只有中间圆形绘制了光影颜色，在贴图的边缘的颜色是不对的

在计算观察空间的时候，如果偏离屏幕中心点太多，会不小心采样到了贴图的边缘。
要解决这个问题其实也很简单，给算出来的MatCap的UV用一个变量来控制一下缩放，让UV坐标不要超出一定范围就行了。

二、MatCap实现的代码

下面是Unity引擎的shader

Shader "AzhaoMatCap"
{Properties{_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_MatCapTex("MatCapTex", 2D) = "white" {}_MatCapIntensity("MatCapIntensity",Range(0,2)) = 1_MatCapPow("MatCapPow",Range(0,5)) = 1_MatCapUVScale("MatCapUVScale",Range(0,1)) = 1}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 100Pass{Cull offCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 normal:NORMAL;};struct v2f{                float4 vertex : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 normal:TEXCOORD1;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;sampler2D _MatCapTex;float _MatCapIntensity;float _MatCapPow;float _MatCapUVScale;float2 GetMatCapUV(float3 objNormal){float3 normalWorld = mul(unity_ObjectToWorld, objNormal);float3 normalView = mul(UNITY_MATRIX_IT_MV, normalWorld);return normalView.xy*0.5+0.5;}v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);o.normal = v.normal;return o;}float4 frag (v2f i) : SV_Target{// sample the texturefloat4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);float2 MatCapUV = GetMatCapUV(i.normal)*_MatCapUVScale;float4 MatCapCol = tex2D(_MatCapTex, MatCapUV)*_MatCapIntensity;MatCapCol = pow(MatCapCol, _MatCapPow);float3 finalCol = col.rgb*MatCapCol.rgb;return float4(finalCol,col.a);}ENDCG}}
}

代码很简单，通过法线方向获取MatCap的UV，都写在GetMatCapUV方法里面了，就2、3行代码而已。
然后我个人习惯，为了控制一个叠加颜色的强度和对比度，我都是先乘再pow。
最后再给了一张MainTex贴图，作为混合固有色的例子。

三、MatCap的优缺点和应用

1、优点

1.比起真实的光照模型，MatCap计算量很少，只是算个UV采样一张贴图就可以了
2.光照效果非常的可控，可以自己绘制喜欢的高光、阴影和补光的效果
在固定摄像机角度和光照方向的情况下，用MatCap模拟物体的材质，通过使用不同的MatCap贴图，可以达到很强的质感

2、缺点

MatCap的缺点也很明显，因为它的光照效果是假的，所以从不同的角度观察物体，它的光照是不会变化的，也不能做到跟随灯光旋转变化而变化。
所以MatCap的效果一般只能用于固定摄像机和灯光角度的情况下。

3、应用

下面换了几张不同的MatCap贴图，可以看出，物体有了非常强的质感。




上面的shader代码里面，我最后是用乘法来和MainTex颜色叠加，是因为我想MatCap同时产生亮部和暗部的效果。其实我们也可以单纯用MatCap来叠加某个部分的效果，比如，可以改成用加法，然后MatCap贴图只绘制高光部分，其余部分都涂黑。这样我们可以通过MatCap来单纯的叠加高光部分，然后暗部使用烘焙贴图或者顶点颜色来实现，也是可以的。
虽然说MatCap只能用于固定角度，但如果通过贴图遮罩，只限于模型的某些小局部的金属之类强高光的地方显示，其实也能在模型转动或者运动的时候，产生比较不错的质感。
MatCap的其他应用，各位可以再发挥一下想象力。