Unity Shader 学习笔记（8） 纹理映射、凹凸映射

参考书籍：《Unity Shader 入门精要》
3D数学 学习笔记（9） 凹凸映射（bump mapping）和切线空间（tangent space）

• 逐纹素（texel，区别与像素）控制模型的颜色。

单张纹理，凹凸映射的逐顶点和逐像素对比：

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纹理映射坐标（UV坐标）

　　定义了该定点在纹理中对应的2D坐标。通常用一个二维变量(u, v)表示，u为横坐标，v为纵坐标，坐标原点在左下角。

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单张纹理

使用Blinn光照模型。
面板属性：

Properties {    _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)    _MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}      // 纹理图片，默认为全白    _Specular ("Specular",Color) = (1,1,1,1)    _Gloss ("Gloss",Range(8.0,256)) = 20}

CG代码中对应添加的变量：_MainTex_ST可以得到该纹理的缩放和平移值，对应面板的Tiling（平铺）和Offset（偏移）。

sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;     // S:scale, T:translation, _MainTex_ST.xy:缩放值, _MainTex_ST.zw:偏移值

struct a2v {    float4 vertex : POSITION;    float3 normal : NORMAL;    float4 texcoord : TEXCOORD0;            // 第一组纹理};struct v2f {    float4 pos : SV_POSITION;    float3 worldNormal : TEXCOORD0;    float3 worldPos : TEXCOORD1;    float2 uv : TEXCOORD2;                  // 存储纹理坐标};v2f vert(a2v v) {    v2f o;    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);    o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);    o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;    o.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;    // 变换纹理，先缩放（乘xy），后偏移（加zw）。下同，下面是内置函数。    // o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_MainTex);    return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET {    fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);    fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));    // CG的tex2D函数对纹理进行采样，乘于颜色，作为散射值。    fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;         // 散射值和环境光相乘得到环境光部分    fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;         // 漫反射公式（Lambert法则）    fixed3 diffuse = _LightColor0.rbg * albedo * max(0,dot(worldNormal,worldLightDir));     // 下面是高光反射    fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));    fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);    fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss);    return fixed4(ambient + diffuse + specular,1.0);}

UnityCG.cginc中 TRANSFORM_TEX （纹理转换）定义如下：

// Transforms 2D UV by scale/bias property#define TRANSFORM_TEX(tex,name) (tex.xy * name##_ST.xy + name##_ST.zw)

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凹凸映射

两种方法：
- 切线空间下计算光照：光照方向、视角方向需要变换到切线空间计算。
- 世界空间下计算光照：把采样得到的法线方向变换到世界空间下，再和世界空间下的光照和视角方向计算。

效率上：第一种优于第二种，第一种在顶点着色器就完成对光照方向和视角的变换，第二种要对法线采样，必须在片元着色器中实现，即进行一次矩阵操作。

通用性：第二种优于第一种，如使用Cubemap进行环境映射时，需要使用世界空间下下的反射方向对Cubemap采样时，那就需要世界空间下的法线方向。

切线空间下计算

计算光照、视角方向从模型到切线空间的矩阵：因为这个变换只包含平移和旋转（正交矩阵），所以变换的逆矩阵就是转置矩阵，即将切线（x）、副切线（y）、法线（z）按行排列。需要注意对于非统一缩放物体，这里的法线计算就是错误的，详细可见这里。

Properties {    ...    _BumpMap ("Bump Map", 2D) = "bump" {}       // bump:内置法线纹理，对应模型自带的法线信息。    _BumpScale ("Bump Scale",Float) = 0.5       // 凹凸程度：0为没影响    ...}

CGPROGRAM···sampler2D _BumpMap;float4 _BumpMap_ST;     // 同上面纹理的ST，即缩放和偏移值float _BumpScale;···struct a2v {    ...    float4 tangent : TANGENT;       // 顶点的切线方向，tangent.w用来决定副切线的方向性。};struct v2f {    float4 pos : SV_POSITION;    float4 uv : TEXCOORD0;    float3 lightDir : TEXCOORD1;    float3 viewDir : TEXCOORD2;};v2f vert(a2v v) {    v2f o;    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);    // 为了减少插值寄存器数目，可以把纹理映射坐标和凹凸映射坐标放一起。    o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;  // xy存主纹理的纹理坐标    o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;  // zw存凹凸感的纹理坐标    // 法线叉乘切线得出副切线，tangent.w决定方向。rotation为按行排列的 模型到切线 的变换矩阵。    //float3 binormal = cross(normalize(v.normal),normalize(v.tangent.xyz))*v.tangent.w;    //float3x3 rotation = float3x3(v.tangent.xyz,binormal,v.normal);    TANGENT_SPACE_ROTATION;         // 完全等于上面两句。在UnityCG.cginc内。    o.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex)).xyz;  // 获取模型空间下的光照和视角，转换到切线空间    o.viewDir = mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex)).xyz;    return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET {    fixed3 tangentLightDir = normalize(i.lightDir);    fixed3 tangetViewDir = normalize(i.viewDir);    fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap,i.uv.zw);      // 获取顶点对应法线纹理的像素值    fixed3 tangentNormal;    // 如果法线纹理类型没有设置成Normal map，要从像素映射回法线。    // 因为法线都是单位矢量。所以 z = 根号下（1 - x*x + y*y ）。    //tangentNormal.xy = (packedNormal.xy * 2 - 1) * _BumpScale;    //tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));    // 如果设置了Normal map类型，Unity会根据平台使用不同的压缩方法，_BumpMap.rbg值不是对应的切线空间的xyz值了，要用宏映射回法线。    tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);    tangentNormal.xy *= _BumpScale;    tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));    ...}ENDCG

UnityCG.cginc中TANGENT_SPACE_ROTATION 定义如下：

// Declares 3x3 matrix 'rotation', filled with tangent space basis#define TANGENT_SPACE_ROTATION \    float3 binormal = cross( normalize(v.normal), normalize(v.tangent.xyz) ) * v.tangent.w; \    float3x3 rotation = float3x3( v.tangent.xyz, binormal, v.normal )

UnityCG.cginc中UnpackNormal() 定义如下：

inline fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal){#if defined(UNITY_NO_DXT5nm)    return packednormal.xyz * 2 - 1;#else    return UnpackNormalDXT5nm(packednormal);#endif}

世界空间下计算

切线空间转换到世界空间矩阵：切线（x）、副切线（y）、法线（z）按列排列。

struct v2f {    float4 pos : SV_POSITION;    float4 uv : TEXCOORD0;    float4 TtoW0 : TEXCOORD1;       // 切线到世界空间变换矩阵3x3。w分量作为世界空间顶点位置，因为计算相同，所以放一起3x4。    float4 TtoW1 : TEXCOORD2;    float4 TtoW2 : TEXCOORD3;};v2f vert(a2v v) {    v2f o;    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);    o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;  // xy存主纹理的纹理坐标    o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;  // zw存凹凸感的纹理坐标    // 计算世界空间下的顶点法线、切线、副切线    float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;    fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);    fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldNormal(v.tangent.xyz);    fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal,worldTangent) * v.tangent.w;    // 变换矩阵，转置即可，每一行按照列摆放    o.TtoW0 = float4(worldTangent.x,worldBinormal.x,worldNormal.x,worldPos.x);    o.TtoW1 = float4(worldTangent.y,worldBinormal.y,worldNormal.y,worldPos.y);    o.TtoW2 = float4(worldTangent.z,worldBinormal.z,worldNormal.z,worldPos.z);    return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET {    float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w,i.TtoW1.w,i.TtoW2.w);        // 世界坐标存在w值    ...    fixed3 bump = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,i.uv.zw));    bump.xy *= _BumpScale;    bump.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(bump.xy,bump.xy)));    // 从切线转换到世界空间，即转换矩阵乘于法线纹理向量    bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz,bump),dot(i.TtoW1.xyz,bump),dot(i.TtoW2.xyz,bump)));     ...}

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