庄懂着色器_L09_Fresnel/Matcap/Cubemap-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/shikongz/article/details/124067867

本文深入探讨了环境反射的两种技术——Matcap和Cubemap，以及菲涅尔现象在渲染中的应用。详细解释了法线点乘、观察方向和光方向的关系，并通过代码示例展示了如何在Shader中实现Matcap和Cubemap的效果。同时，提到了HDR到LDR的转换和Cubemap的映射方式，对于理解实时渲染中的光照模型和纹理映射具有指导意义。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

庄懂-BoyanTata的个人空间_哔哩哔哩_Bilibili

环境反射的做法有Matcap和Cubemap

菲涅尔现象

菲涅尔连连看部分

Fresnel = pow(1-ndotv,powVal) 下的法线点乘世界下的视线

现实中View Dir观察方向和light Dir光方向都是太阳照射到地面上的,但在引擎内View Dir观察方向和lDir光向量都是指向人眼方向的,也可以说是指向光源的

因此View Dir观察方向和lDir光向量在物理上和引擎内效果是相反的

Matcap效果

Matcap连连看部分

金属反射环境是没有中间与边缘的区分

Remap

相当于是一个映射,法线方向点乘光方向输出的值是-1到1之间,我们将-1到1之间的值映射到0到1之间

将点乘的值转换为Lambert输出的操作

菲涅尔 = 世界下的法线 dot 世界下的视向量

法线从切线空间(tangent space)变换到世界空间(world space)再变换到观察空间(view space)

一束光从屏幕的右边打过来,它的中间是黑色,右边的黑色不是0,而是负值,无论怎样旋转视角

为了验证它是一个负数,把它+1再*0.5,直接做一个Remap,它是一个(-1,1)的值,我们将其映射为(0,1)

法线朝左边,从左到右的一个渐变

红通道的含义就是它这个表面,法线方向,它在平行于屏幕的轴向上,朝左它就是0.朝右就是1,这是Remap之后的结果

没有Remap之前,朝左就是-1,正对着你是0,朝右是1

绿通道的含义,就是左右的关系,将红通道平行于屏幕的关系变成垂直于屏幕的关系,就变成了一个上下关系,同样去做一个Remap,它也是无论怎样旋转模型或者旋转视角也好,它始终都是在屏幕上的一个上下关系

我们拿到这个绿通道,做了Remap之后,它就是一个以朝下,法线取0值,法

线朝你取0.5,法线朝你取1

红通道是法线朝左取0,法线朝你取0.5,法线朝右取1

把观察空间下View_Space的下的法线取出它的红绿通道做Remap去采样纹理

红通道从左到右依次取值为0,0.5,1

绿通道从下到上依次取值为0,0.5,1

Cubemap效果

简单理解就是一张全景图

Cubemap效果连连看部分

视方向ViewDir不是眼睛射出的光线,而是一个光线射向眼睛的方向

Reflect反射不是要拿视方向ViewDir,而是要拿视方向ViewDir在法线上反弹之后的方向去采样

不是直接去看Cubemap的结果,我们是把自己的视线方向ViewDir经过一面镜子的反弹,然后用那个方向去采样cubemap的结果

将视方向ViewDir先取了一个反, 然后跟法线Normal去做了一次反射Reflect,这样就拿到了一个视方向ViewDir的反弹方向,就可以去查询Cubemap反弹到哪个像素了

HDR的图片很多手机不支持,所以想办法要把HDR的信息编码成LDR的图,就是不超过1的图,有一些方法可以做一下编码,然后在去手机上做一个还原,而且还能保留一个高动态范围的信息,但是它的载体是低动态范围的,是常用手段之一

将SD内导出的HDR贴图(EXR.格式)导入PS,然后勾选 作为Alpha通道,将HDR贴图由长方形改为正方形,之后还是一个高动态范围的状态,在图像>>模式>>改为8位/通道(A),然后贴图整体就变暗了,因为它将原先最亮的地方变成1,最暗的地方变为0,也就是重新做了一下Remap映射,然后保存为TGA格式导出

Cubemap的映射方式Mapping选择为Latitude-Longitue Layout(Cylindrical)

Convolution Type 选择 Specular(Glossy Reflection) 可以生成 Mipmap

远处采样低精度的图,近处采样高精度的图,这也是Mipmap一个常规的用法

但是我们做Cubemap,是利用Mipmap这样一个特性,将不用级别的Mipmap视作不用粗糙度表面对环境的反射

Fixup Edge Seams 修正接缝

Mapcap效果代码部分

i.posWS = mul(unity_objectToWorld,vertex); //世界坐标

//世界空间下的视线方向 = 摄像机的位置 - 世界坐标的位置

float3 nDirWS = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWS.xyz);

Shader "AP01/L09/Matcap"
{
    Properties
    {
        _NormalMap  ("法线贴图", 2D) = "bump" {}
        _Matcap     ("Matcap", 2D) = "gray" {}
        _FresnelPow ("菲涅尔次幂", Range(0, 10)) = 1
        _EnvSpecInt ("环境镜面反射强度", Range(0, 5)) = 1
    }

    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
       
        Pass
        {
            Name "FORWARD"
            Tags { "LightMode"="ForwardBase" }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma multi_compile_fwdbase_fullshadows
            #pragma target 3.0

            // 输入参数
            uniform sampler2D _NormalMap;
            uniform sampler2D _Matcap;
            uniform float _FresnelPow;
            uniform float _EnvSpecInt;

            // 输入结构
            struct VertexInput
            {
                float4 vertex   : POSITION;     // 顶点信息
                float2 uv0      : TEXCOORD0;    // uv信息
                float3 normal   : NORMAL;       // 法线信息
                float4 tangent  : TANGENT;      // 切线信息
            };

            // 输出结构
            struct VertexOutput
            {
                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
            };

            // 输入结构>>>顶点Shader>>>输出结构
            VertexOutput vert (VertexInput v)
            {
                VertexOutput o = (VertexOutput)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;                                   // 将输出结构 输出
            }

            // 输出结构>>>像素
            float4 frag(VertexOutput i) : COLOR
            {
                // 准备向量
                float3 nDirTS = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, i.uv0)).rgb;
                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);        // 计算MatcapUV
                float3 vDirWS = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWS.xyz); // 计算Fresnel

                // 准备中间变量
                float vdotn = dot(vDirWS, nDirWS);
                float2 matcapUV = nDirVS.rg * 0.5 + 0.5;

                // 光照模型
                float3 matcap = tex2D(_Matcap, matcapUV);
                float fresnel = pow(max(0.0, 1.0 - vdotn), _FresnelPow);
                float3 envSpecLighting = matcap * fresnel * _EnvSpecInt;

                // 返回值
                return float4(envSpecLighting, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

Cubemap代码部分

采样Cubemap要用texCUBElod

采样的UV坐标必须是四维的,float4(vrDirWS,_CubemapMip)

Shader "AP01/L09/Cubemap"
{
    Properties
    {
        _Cubemap    ("环境球", Cube) = "_Skybox" {}
        _NormalMap  ("法线贴图", 2D) = "bump" {}
        _CubemapMip ("环境球Mip", Range(0, 7)) = 0
        _FresnelPow ("菲涅尔次幂", Range(0, 5)) = 1
        _EnvSpecInt ("环境镜面反射强度", Range(0, 5)) = 0.2
    }

    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        Pass
        {
            Name "FORWARD"
            Tags { "LightMode"="ForwardBase" }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma multi_compile_fwdbase_fullshadows
            #pragma target 3.0

            // 输入参数
            uniform samplerCUBE _Cubemap;
            uniform sampler2D _NormalMap;
            uniform float _CubemapMip;
            uniform float _FresnelPow;
            uniform float _EnvSpecInt;

            // 输入结构
            struct VertexInput
            {
                float4 vertex   : POSITION;     // 顶点信息
                float2 uv0      : TEXCOORD0;    // uv信息
                float3 normal   : NORMAL;       // 法线信息
                float4 tangent  : TANGENT;      // 切线信息
            };

            // 输出结构
            struct VertexOutput
            {
                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
            };

            // 输入结构>>>顶点Shader>>>输出结构
            VertexOutput vert (VertexInput v)
            {
                VertexOutput o = (VertexOutput)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;                                   // 将输出结构 输出
            }
           
            // 输出结构>>>像素
            float4 frag(VertexOutput i) : COLOR
            {
                // 准备向量
                float3 nDirTS = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, i.uv0)).rgb;
                float3x3 TBN = float3x3(i.tDirWS, i.bDirWS, i.nDirWS);
                float3 nDirWS = normalize(mul(nDirTS, TBN));   // 计算Fresnel 计算vrDirWS
                float3 vDirWS = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWS.xyz);  // 计算Fresnel
                float3 vrDirWS = reflect(-vDirWS, nDirWS);// 采样Cubemap

                // 准备中间变量
                float vdotn = dot(vDirWS, nDirWS);

                // 光照模型
                float3 var_Cubemap = texCUBElod(_Cubemap, float4(vrDirWS, _CubemapMip)).rgb;
                float fresnel = pow(max(0.0, 1.0 - vdotn), _FresnelPow);
                float3 envSpecLighting = var_Cubemap * fresnel * _EnvSpecInt;

                // 返回值
                return float4(envSpecLighting, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

World Reflection