4.2 材质效果
请问常见的材质效果有哪些，并简述如何在Unity 3D中实现对应效果。
问题分析
我们知道，物体的材料会影响人对物体的判断。比如有塑料感的物体就会给人很轻的感觉，而拉丝的反光效果就会给人顺滑的感觉，等等。为了达到不同的表现效果，美术人员在制作过程中会采用各种辅助方式。
从效果的实现原理的角度来看，可以按照是否使用PBR（Physically-Based Rendering）作为标准划分。即使用PBR流程组织美术资源的为一类，其他的为另一类。
对于常规美术流程，即4.1节贴图分类中提到的方式，也是目前绝大多数游戏采用的资源组织方式。它底层基于兰伯特模型（Lambert），通过点乘的方式来估计照度，并通过功能拆分对应的贴图，功能之间互不干扰，给美术更强的控制能力。这既是优点也是缺点。优点是由于这种标准已经在游戏行业中广泛使用，因此并不难找到能够上手的美术人员。缺点是由于美术人员对效果有很强的控制能力，因此整个效果的调整对美术人员的能力要求很高。
另一方面，PBR技术弥补了这一缺陷。它根据能量守恒的原理来计算光强，Unity 3D中默认的StandardShader就是基于这种方式实现的。它的好处是只要按照材质参数表，即可配置出效果正确的材质。图4.4是引自Unity 3D官方文档中提供的参数对照图。
图4.4
在这种流程下，对美术人员的能力要求略低。但由于目前使用这套流程的团队不多，并且美术人员还不太熟悉这种模式，因此反而在制作的过程中造成了困扰。另一方面，这套资源流程对引擎也有些要求。由于材质效果依靠计算，因此美术人员在PBR工具中制作出的效果，与导入引擎后运行的效果会有所不同。不论是Unity 3D还是Unreal，都需要对PBR对应的Shader或材质参数做适当修正，以保障效果的一致性，这对技术层面也提出了更高的要求。因此，目前基于PBR流程研发的游戏数量增长得十分缓慢，相信随着技术的进步会逐渐成为主流。
对于额外的材质效果，不太介意是否基于PBR。虽然乱改贴图会影响PBR的效果，但常规材质效果都已经包含在标准流程中了。如果在PBR流程中需要加入新的特殊效果，则可以在颜色计算好后再叠加。因此下面的这些效果在两种美术流程中都可以使用。
因为需要比较材质效果，所以这里选取了Unity-Chan和Space Robot Kyle的资源作为效果参考。资源的获取方式可参考序言中的相关链接，后面代码片段的完整版本也在资源包中。
边缘光
无论哪种渲染模式，光感的效果都是核心。对于卡通渲染最大的特点就是利落的边缘光或阴影。在Unity-Chan中我们可以明显看到类似的效果，例如，角色袖子上的边缘光效果如图4.5所示。
图4.5
把袖子上的边缘光去掉后，整个衣服的效果就完全不同了，效果如图4.6所示。
图4.6
边缘光的计算并不复杂，核心是使用一张渐变图做控制，然后根据照度在图上做强度的采样，相关代码如下：
float_t rimlightDot=saturate( 0.5 * ( dot( normalVec, i.lightDir ) + 1.0 ) );
falloffU=saturate( rimlightDot * falloffU );
falloffU=tex2D( _RimLightSampler, float2( falloffU, 0.25f ) ).r;
float3_t lightColor=diffSamplerColor.rgb; // * 2.0;
combinedColor +=falloffU * lightColor;
高光效果
另一个比较重要的光效是高光，物体的质感几乎完全取决于高光的效果。我们可以看到在UnityChan的袖口、胸、马甲的兜附近都有明显的高光，效果如图4.7所示。
图4.7
如果去掉高光，袖子就会显得没有层次，马甲也松松垮垮，如图4.8所示。
图4.8
具体代码逻辑是通过一张高光图记录反光的倍率与色值，然后再与标准高光计算出的结果相乘。核心内容如下：
float4_t reflectionMaskColor=tex2D( _SpecularReflectionSampler, i.uv.xy );
float_t specularDot=dot( normalVec, i.eyeDir.xyz );
float4_t lighting=lit( normalDotEye, specularDot, _SpecularPower );
float3_t specularColor=saturate( lighting.z ) * reflectionMaskColor.rgb *
diffSamplerColor.rgb;
combinedColor +=specularColor;
渐变贴图
渐变贴图（Ramp）或者叫衰减贴图（FallOff），与前面的应用范围不太一样，它更多是以一种加强色彩控制的形式出现。例如前面提到的采样用贴图也是渐变贴图的一种，这里拿出来单独说，是因为有时候它不太明显，效果会与固有色贴图混在一起，让人以为是画在固有色中的效果。最明显的例子就是角色的皮肤。在Unity的皮肤效果中，使用了一张长方形的渐变图，如图4.9所示。
图4.9
在这张图的影响下，皮肤的效果如图4.10所示。
图4.10
如果去掉渐变效果，皮肤就缺少了层次感，如图4.11所示。
图4.11
实现方面，使用视线与平面法线点乘的值作为标准，在渐变图中采样。最终，通过渐变图的透明通道作为插值标准，与固有色进行混合。核心代码如下：
float_t normalDotEye=dot( i.normal, i.eyeDir );
float_t falloffU=clamp( 1- abs( normalDotEye ), 0.02, 0.98 );
float4_t falloffSamplerColor=FALLOFF_POWER * tex2D( _FalloffSampler,
float2( falloffU, 0.25f ) );
float3_t combinedColor=lerp( diffSamplerColor.rgb, falloffSamplerColor.rgb
* diffSamplerColor.rgb, falloffSamplerColor.a );
combinedColor=diffSamplerColor;
自发光
自发光效果（Glow）其实算是后处理效果的一种，并不属于材质层。不过它的贴图和参数配置都可以放在材质上，因此也算与材质有关，因而把它放在这里一起说。
这种效果最大的优势是，可以使画面看起来有更多的光源，这在很多特效中都会用到，当然用在角色身上的例子也比比皆是。这里使用Kyle做了一个简单的例子，来说明效果。
首先引入Unity 3D的Effect资源包，接着新建一个场景，在摄像机上挂载Bloom脚本，并做如图4.12所示设置。
图4.12
接着使用绘图软件，绘制一张用于加强颜色的遮罩贴图，如图4.13所示。
图4.13
最后创建一个新的使用StandardMaterial的材质，将其自发光（Emission）参数更改为如图4.14所示的值。
图4.14
调整摄像机角度，即可看到如图4.15所示的效果。
图4.15
可以看出，使用自发光对画面效果有很大的提升。当然这些提升也是有代价的，最明显的就是资源量变大，每增加一张贴图，就代表增加了美术人员的工作量。另外，由于它的底层原理是后处理（Post-Effect），因此也会增加运行时的内存消耗。在后面的内容中，我们会介绍如何定制自己的辉光效果。
材质捕获贴图
材质捕获贴图（Material Capture），通常被称为MatCap，在很多3D软件中都可以生成。它最大的特点是能真实地表现反射效果，而不需要在场景中提供对应的灯光。从本质上讲，它是将所有的光照信息都存储到了贴图中的。代码实现也不复杂，在运行时，只需将法线从模型空间转到视口空间，再将对应UV映射到贴图上就可以了。
在AssetStore中有名为“Free MatCap Shaders”的插件，它比较直观地展示了这项技术的效果，有兴趣的读者可以自行下载查看。效果如图4.16所示。
图4.16
其中展示的模型依然为kyle，上面的方形贴图即为MatCap贴图。
总结
本节主要介绍了常见的材质效果，并结合代码和实现方式进行了分析。需要注意的是，上面只是说了一些主流的材质效果，真实项目中的材质可能会更多。正是因为美术效果层出不穷，所以我们才能看到各种令人惊叹的游戏。
扩展问题
要应用多种效果势必会增加贴图的数量，有什么办法进行优化吗（[
:texturepath]）？