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Unity Shader 入门精要(冯乐乐著)学习笔记(6)——基础纹理

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凹凸映射

使用一张纹理来修改模型表面的法线,该方法不会真的改变模型的顶点位置。

通常两种办法:

第一种利用高度纹理模拟表面位移,然后得到修改后的法线值——高度映射。

第二种利用法线纹理,直接得到表面法线——法线映射。——通常使用该方法。

法线纹理

法线分量范围:[-1,1],需要通过pixel=(normal+1)/2 放缩到[0,1]才能存储到纹理图中,因此在采样时需要做一次反映射:normal=pixel×2-1。

法线方向的选择可以选择模型空间(实现简单+突变较少)下的或者模型顶点切线空间(自由度高+可进行UV动画+可重用+可压缩(只存储xy))下的:

模型空间下,坐标空间相同但是法线各异所以看起来五颜六色

切线空间下,坐标空间不同,法线在各自的坐标空间中,若该点法线方向未改变,则就是切线空间下的z轴方向(0,0,1)——映射成(0.5,0.5,1)——代表了法线扰动方向。

 

在切线空间下计算光照(效率高)

Shader "Custom/切线空间下法线映射"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _BumpTex("Normal Map",2D)="white"{}
        _BumpScale("Bump Scale",Float)=1.0//控制凹凸程度
        _Specular("Specular",Color)=(1,1,1,1)
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256))=20
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert 
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            fixed4 _Color;
            sampler2D _MainTex; 
            float4 _MainTex_ST;
            sampler2D _BumpTex;
            float4 _BumpTex_ST;
            float _BumpScale;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            struct a2v{
                float4 vertex:POSITION;
                float3 normal:NORMAL;
                float4 tangent:TANGENT;
                float4 texcoord:TEXCOORD;
            };
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;
                float4 uv:TEXCOORD0;
                float3 lightDir:TEXCOORD1;
                float3 ViewDir:TEXCOORD2;
            };
            v2f vert(a2v v){
                v2f o;
                //计算裁剪空间下的顶点坐标
                o.pos= UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                //计算两张纹理的uv值(加上缩放和偏移)
                o.uv.xy = v.texcoord.xy*_MainTex_ST.xy+_MainTex_ST.zw;
				o.uv.zw = v.texcoord.xy*_BumpTex_ST.xy+_BumpTex_ST.zw;
                //计算从世界空间转换到切线空间的变换矩阵,已知切线在世界下,按列放——切线到世界,按行放——世界到切线:
                float3 worldNormal=UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                float3 worldTangent=UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
                float3 worldBinormal=cross(worldNormal,worldTangent)*v.tangent.w;
                float3x3 worldToTangent=float3x3(worldTangent,worldBinormal,worldNormal);
                //将世界空间下的光线和视线变换到切线空间下
                o.lightDir=mul(worldToTangent, WorldSpaceLightDir(v.vertex));
                o.ViewDir=mul(worldToTangent,WorldSpaceViewDir(v.vertex));
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
                //采样得到切线空间下的切线值
				fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpTex, i.uv.zw);
                //进行反映射
				fixed3 tangentNormal=UnpackNormal(packedNormal);
                //根据凹凸程度进行修改
                tangentNormal.xy *= _BumpScale;
                //因为normal为单位向量,根据xy计算z
				tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));
                //得到归一化切线空间下的视线和光线
                fixed3 tangentLightDir = normalize(i.lightDir);
				fixed3 tangentViewDir = normalize(i.ViewDir);
                //得到主纹理的颜色作为反射率
                fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;
                //计算环境光
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
                //采用Lambert模型计算漫反射部分
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(tangentNormal, tangentLightDir));
                //采用Blinn模型计算高光反射部分
				fixed3 halfDir = normalize(tangentLightDir + tangentViewDir);
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(tangentNormal, halfDir)), _Gloss);
                //得出最终的颜色
				return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

效果:

在世界空间下计算光照(通用性高)

Shader "Custom/世界空间下法线映射"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _BumpTex("Normal Map",2D)="white"{}
        _BumpScale("Bump Scale",Float)=1.0//控制凹凸程度
        _Specular("Specular",Color)=(1,1,1,1)
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256))=20
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert 
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            fixed4 _Color;
            sampler2D _MainTex; 
            float4 _MainTex_ST;
            sampler2D _BumpTex;
            float4 _BumpTex_ST;
            float _BumpScale;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            struct a2v{
                float4 vertex:POSITION;
                float3 normal:NORMAL;
                float4 tangent:TANGENT;
                float4 texcoord:TEXCOORD;
            };
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;
                float4 uv:TEXCOORD0;
                //构造从切线空间到模型空间的矩阵
                float4 TtoWorld1:TEXCOORD1;
                float4 TtoWorld2:TEXCOORD2;
                float4 TtoWorld3:TEXCOORD3;
            };
            v2f vert(a2v v){
                v2f o;
                //计算裁剪空间下的顶点坐标
                o.pos= UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                //计算两张纹理的uv值(加上缩放和偏移)
                o.uv.xy = v.texcoord.xy*_MainTex_ST.xy+_MainTex_ST.zw;
				o.uv.zw = v.texcoord.xy*_BumpTex_ST.xy+_BumpTex_ST.zw;
                //计算从切线空间转换到世界空间的变换矩阵,已知切线在世界下,按列放——切线到世界,按行放——世界到切线:
                float3 worldNormal=UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                float3 worldTangent=UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
                float3 worldBinormal=cross(worldNormal,worldTangent)*v.tangent.w;
                //在构成的同时顺便存储世界空间下的顶点坐标
                float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;  
                o.TtoWorld1=float4(worldTangent.x,worldBinormal.x,worldNormal.x,worldPos.x);
                o.TtoWorld2=float4(worldTangent.y,worldBinormal.y,worldNormal.y,worldPos.y);
                o.TtoWorld3=float4(worldTangent.z,worldBinormal.z,worldNormal.z,worldPos.z);
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
                //获得世界空间中的顶点坐标		
				float3 worldPos = float3(i.TtoWorld1.w, i.TtoWorld2.w, i.TtoWorld3.w);
                //采样得到切线空间下的切线值
				fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpTex, i.uv.zw);
                //进行反映射
				fixed3 tangentNormal=UnpackNormal(packedNormal);
                //根据凹凸程度进行修改
                tangentNormal.xy *= _BumpScale;
                //因为normal为单位向量,根据xy计算z
				tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));
                //将切线空间下的normal转换到世界空间下
                fixed3 worldNormal=normalize(half3(dot(i.TtoWorld1.xyz, tangentNormal), dot(i.TtoWorld2.xyz, tangentNormal), dot(i.TtoWorld3.xyz, tangentNormal)));
                //得到归一化世界空间下的视线和光线
                fixed3 lightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
				fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
                //得到主纹理的颜色作为反射率
                fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;
                //计算环境光
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
                //采用Lambert模型计算漫反射部分
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, lightDir));
                //采用Blinn模型计算高光反射部分
				fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
                //得出最终的颜色
				return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

效果:

注意在unity中,若把法线纹理的纹理类型选择为normal map,则在采样时需要使用UnpackNormal函数来得到正确的法线方向。因为这种纹理unity可以根据平台对纹理进行压缩。高度映射时除了设置成normal map,还需要勾选create from grayscale,Unity会根据高度图来生成一张切线空间下的法线纹理。


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