菜鸡shader:L5 fresnel、matcap和cubemap

news2024/9/24 15:28:56

文章目录

Fresnel
- shader forge实现
- UE4蓝图实现
Matcap
- shader forge实现
- UE4蓝图实现
CubeMap
- SD和PS制作所需的贴图
- shader forge实现
- unity代码实现
- UE4蓝图实现(未实现)

Fresnel

在这里插入图片描述

shader forge实现

在这里插入图片描述

个人理解是，使用观察方向和法向方向点乘，那就相当于我们的视线看到哪里，哪里就是亮的，相当于头顶探照灯了。
但是菲尼尔效果则是观察方向和法线方向离得越近，折射或者反射效果越弱；而如果观察方向和法线方向越接近90°时，反射的效果就越强。所以我们采用onemiuns(用1减去观察方向和法线方向的点乘)，就能取得我们想要的效果。
最后再使用power函数来增强这个菲涅尔的强度。

UE4蓝图实现

然后是ue4中的fresnel效果的实现，跟shader forge的节点差不多：
在这里插入图片描述

ue4中对应于shader forge中使用的法线方向的节点是PixelNormalWS，而不是VertexNormalWS这点需要注意。
和unity中不同的时我们的观察方向需要通过摄像机方向取反来得到，因为shader forge的观察方向是从着色点为起点发射到相机的位置。这与ue4中的相机方向刚好相反。

Matcap

具体请参考毛星云大佬的blog
在这里插入图片描述

不像一般的Shader，需要提供光照，需要在Shader代码中进行漫长的演算，基于MatCap思想的Shader相当于MatCap贴图就把光照结果应该是怎样的标准答案告知Shader，我们只用在试卷下写出答案，进行一些加工即可。

需要注意，MatCap Shader有一定的局限性。因为从某种意义上来说，基于MatCap的Shader，就是某种固定光照条件下，从某个特定方向，特定角度的光照表现结果。

正是因为是选择的固定的MatCap贴图，得到相对固定的整体光照表现，若单单仅使用MatCap，就仅适用于摄像机不调整角度的情形，并不适合摄像机会频繁旋转，调节角度的情形。但我们可以在某些Shader中，用MatCap配合与光照交互的其他属性，如将MatCap结合一个作为光照反射的颜色指导的Reflection
Cube Map，就有了与光照之间的交互表现。这样，就可以适当弥补MatCap太过单一整体光照表现的短板。

shader forge实现

在这里插入图片描述
unity中的效果：

UE4蓝图实现

在这里插入图片描述

ue4中的效果：
在这里插入图片描述

ue和unity的亮度不一样啊…只能手动调参了，这里学习为主，暂时就不折腾这个了。

CubeMap

这个东西其实很多地方都讲过，如果感兴趣可以看看：

games202的Precomputed Radiance Transfer的课
或者直接参考LearnOpenGl中IBL章节
庄老师PPT主要是讲了以反射形式为主的环境映射：
也就是我们要求的是那根绿线R。

在这里插入图片描述

SD和PS制作所需的贴图

下面说一下怎么用ps处理cubemap需要的贴图：
首先找到一张全景图，类似于这样的：
在这里插入图片描述

具体可以上subtance designer里面找3D View里的全景图，打开其中一个的文件夹，然后直接拖到ps里面：
拖进ps里后选择作为alpha通道：
选择：
调整图像大小：
然后设置图像模式，默认参数确认就行，这一步是为了将图片的亮度高于1和暗度低于0的部分限制在0到1范围内：

然后导出为tga格式：
导入到unity中，红色的需要调整，绿色的自己选择调不调整：
调整完应用之后就是下面这个样子，一个材质球：

shader forge实现

然后放下课程上的实现：
unity中自己的实现：
因为我们要得到的是视线看过去与法线形成的反射方向，所以需要获取到观察方向的反方向。
感兴趣的可以去了解下reflect函数的实现。
和课程上的实现图相比多了AO，也就是环境光遮蔽贴图的部分。

unity的效果图：
在这里插入图片描述

unity代码实现

Shader "shader forge/L9_CubeMap2"
{
    Properties
    {
        _normalmap ("normal map", 2D) = "bump" {}
        _cubeMap ("cubeMap", Cube) = "_Skybox" {}
        _AOTex ("AO Texture",2D) = "White" {}
        _n1 ("n1", Float ) = -1
        _MipMap_Level ("MipMap_Level", Range(0, 7)) = 0
        _fresnel_exp ("fresnel_exp", Range(0, 10)) = 1
        _EnvSpecInt ("EnvSpecInt", Range(0, 5)) = 1
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv0 : TEXCOORD0;
                float4 tangent : TANGENT;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv0 : TEXCOORD0;                
                float4 pos : SV_POSITION;
                float4 posWorld : TEXCOORD1;
                float3 nDirWS : TEXCOORD2;
                float3 tDirWS : TEXCOORD3;
                float3 biDirWS : TEXCOORD4;               
            };

            uniform sampler2D _normalmap;
            uniform samplerCUBE _cubeMap;
            uniform sampler2D _AOTex;
            uniform float _n1;
            uniform float _MipMap_Level;
            uniform float _fresnel_exp;
            uniform float _EnvSpecInt;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv0 = v.uv0;
                o.nDirWS = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.tDirWS = normalize(mul(unity_ObjectToWorld, float4(v.tangent.xyz,0.0)).xyz);
                o.biDirWS = normalize(cross(o.nDirWS,o.tDirWS) * v.tangent.w);
                o.posWorld = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);                
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                //贴图采样
                float3 nDirTS = UnpackNormal(tex2D(_normalmap,i.uv0)).rgb;
                float AO_R = tex2D(_AOTex,i.uv0);

                //向量准备
                float3x3 TBN_Matrix = float3x3(i.tDirWS,i.biDirWS,i.nDirWS);
                float3 nDirWS_FT = normalize(mul(nDirTS,TBN_Matrix));
                float3 nDirVS_FT = normalize(mul(UNITY_MATRIX_V,float4(nDirWS_FT,0.0)).xyz);
                float3 vDirWS = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWorld.xyz);
                float3 vrDirWS = normalize(reflect(-vDirWS,nDirWS_FT));

                //中间量准备
                fresnel
                float NoV = max(0.0,dot(nDirWS_FT,vDirWS));
                float OneMinusNoV = 1 - NoV;
                float fresnel = pow(OneMinusNoV,_fresnel_exp);

                cubemap
                float3 cubemap_uv = vrDirWS;
                float3 cubemap_color = texCUBElod(_cubeMap,float4(cubemap_uv,_MipMap_Level));

                //光照模型
                float3 finalColor = cubemap_color * fresnel;
                float3 EnvSpecLighting = finalColor * _EnvSpecInt * AO_R;

                //后处理

                //最后返回值
                return float4(EnvSpecLighting,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
}