Matcap的原理和应用

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一、概念和原理

1.1 什么是Matcap

什么是Matcap？Matcap实际上是Material Capture的缩写，即材质捕捉。实际上，这是一种离线渲染方案。类似光照烘焙，将光照或者其它更复杂环境下的渲染数据存储到一张2D贴图上， 再从这张2D贴图进行采样进行实时渲染。

1.2 如何理解Matcap

Matcap是一种在视线空间下使用单位法线采样单位球的离线渲染算法。

• 为什么是视线空间？因为视线空间下，相机变化就可以看到不同的渲染结果。
• 为什么使用法线去采样了？法线是描述表面朝向的向量，与渲染结果强相关，法线跟物体的曲率强相关等，因此这种算法经常用于 sculpting上。

1.3 Matcap的特点

Matcap的特点总结如下：

• 使用视线空间下的法线向量采样2D贴图，作为光照和反射结果。
• 在缺乏光照烘焙的环境下，可以一定程度上替代或者模拟光图。
• 但是，Matcap代表的2D贴图不局限于光照信息，也可以理解为某种环境下的最终渲染结果。
• 由于是离线方案，因此计算非常廉价，很适合低端机器或者特定场合下使用。

二、如何实现Matcap

2.1 如何获得Matcap贴图

按照定义，matcap贴图是一张2D贴图，内部包含一个单位球，表示光照信息。如何获得这样的贴图了？

• 从网上的材质库下载
  比如，matcaps
  
• 引擎预览材质球然后截图。
  
  

2.2 如何采样Matcap贴图

// ------------------------------- // Vertex // ------------------------------- VertexNormalInputs normalInput = GetVertexNormalInputs(input.normalOS, input.tangentOS); output.normalWS = normalInput.normalWS; // ------------------------------- // Fragment // ------------------------------- float3 viewNormal = mul((float3x3)GetWorldToViewMatrix(), normalWS); float2 matCapUV = viewNormal.xy * 0.5 + 0.5; half3 matcapColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_Matcap, sampler_Matcap, matCapUV).rgb; 

从上述glsl代码可以看出，需要把法线转换到视线空间，然后再将法线偏移到[0,1]的范围内，然后取xy分量作为uv，对matcap纹理进行采样。

三、Matcap的问题

3.1 边缘瑕疵

3.2 单点采样

对于平面来说，其法线朝着同一个方向的，因此会出现整个平面获得的matcap颜色都是同一个像素点，与正常的光照结果相差很大。我们希望的是，即使是一个平面，不同的像素点也是有不同的光照结果。

3.3 解决办法

3.1.1 缩放uv

第一种方式是对matcapUV进行缩放，比如缩小uv可以使得避免采样边缘区域。

float2 matCapUV = viewNormal.xy * 0.5 * _MatcapUVScale + 0.5; 

这种方式可以简单的解决边缘瑕疵问题，但是无法解决单点采样。

3.1.2 使用视线空间下单位球的法线

#if _MATCAP_FIX_EDGE_FLAW float3 r = reflect(input.positionVS, viewNormal); r = normalize(r); float m = 2.619 * sqrt(r.z + 1.0); float2 matCapUV = r.xy / m * _MatcapUVScale + 0.5; #else float2 matCapUV = viewNormal.xy * 0.5 * _MatcapUVScale + 0.5; #endif 

从上图可以看出，对于平面来说，两种算法的效果差异非常明显。

四、Matcap与其它效果的结合

4.1 基础颜色

4.2 法线贴图

4.3 自发光

类似正常的光照计算，可以在matcap的结果之上，再叠加自发光。

4.4 模拟高光

4.5 Cubemap反射

4.6 模拟边缘光

利用dot(normalWS, viewDirWS)计算出边缘光的强度，再将边缘光颜色与强度相乘叠加到最终着色结果上即可。

4.7 模拟折射

4.8 光照强度

同时，也可以计算出真实的光照强度，将光照强度乘以matcap颜色，让matcap的着色结果受到灯光影响。不过，这跟matcap的初衷不太一致。

五、参考资料

Materials (MatCap)
https://github.com/nidorx/matcaps
MatCap Shader 改进：解决平面渲染和环境反射问题