unity3d 凹凸贴图、法线贴图、置换贴图 （二）

本文转自http://www.unitymanual.com/forum.php?mod=viewthread&tid=5896

NormalMap 看来可以增加细节，但是它的缺点也很明显。不过在说缺点之前，要提前说一句－－NormalMap带来的优势是远远大于它的缺点的。因此仍然是个极好的东西，不要对它有偏见，特别是在我们后面介绍的更牛的技术前面，千万不要。最大的也是最明显的缺点应该就是它的视角问题。因为NormalMap只是改变的表面上的光照结果，并没有改变表面上的形状。因此，表面上看来，似乎只要是不接近水平，NormalMap就不会有视角问题。其实不然，NormalMap因为不能实现自身内部的遮挡，因此不能表现平面上凹凸起伏比较大的场合。比如说我们一个桌面上突出一块，然后在突出的这块东西边上放一支牙签。如果用NormalMap表现，会发现。根据经验，这个凸起会很轻易的挡住我们的视线，让我们看不见那支牙签。可是NormalMap却不会这么做。因此我们一直能看见障碍物背后的东西，这一点是个问题－－也就是说只有在垂直于平面的时候NormalMap才会发挥最好的作用。这样一来，NormalMap只能用在大家对遮挡关系不敏感的场合，比如场景等，不是不能用于人物，而是用NormalMap的人物不太经得起特写，放大了，角度刁钻了都容易穿帮。

　　虽然NormalMap有个不能平视的巨大问题，但是依然是好处远大于小障碍，因此还是非常值得推广的。后面的几种新兴算法其实都是由NormalMapping发展起来的，因此做为基础的东西，也还是最有理解价值的。


　　P.S. 关于NormalMap的一点秘籍。注意理解……NormalMap其实并不是从低模的表面凸出高模的细节的，而是把高模中比最高点的位置低的地方凹进去的！因此低模要比高模大一点点才会很准。大家可以想像成我们是用一个比高模稍微大一点点尺寸的低模石膏模型来把高模雕刻出来的。

　　P.S.2.关于NormalMap的做法，其实早期发明NormalMap的时候还没有MAX这种这么方便生成NormalMap的方法，NormalMap都是从 BumpMap计算得到的，因此其实通过很简单的算法就可以从BumpMap算出NormalMap的，甚至可以On The Fly（就是让游戏引擎直接读BumpMap然后转换成NormalMap）。因此对于一些建起模来效率很低，但是又能明显增加表面细节的东西，例如水泥表面的颗粒，用画Bump的方式来做是个更好的主意，然后交给技术美工去搞定好了－－当然你会用Z－Bursh那就当我什么都没说了，呵呵。说来 FXCarl估计MAX生成法线图的方式也是比较高低模上每个点的高度偏移，然后生成每个UV图素上的高度差来得到一个BumpMap，然后再从 BumpMap变成NormalMap。
　　Parallax mapping 视差贴图

　　（因为后面的算法都是基于NormalMap的应用，可能看上去没有NormalMapping那么长了，但内容肯定一样精彩的！）

　　视差贴图是一种NormalMapping算法的增强算法，其本质上和NormalMapping没有区别。优势是只需要增加3个HLSL语句和一个控制纹理通道（只需要几个GPU指令，代价小到可以忽略）就可以显着的增加物体表面的深度感。但是NormalMap中出现的问题，Parallax mapping基本上都有－－特别是视角接近平行的时候，凹凸感消失的问题，并没有明显改善－－其实这个使用NormalMap带来的问题就像是液晶屏的可视角度问题一样令人挥之不去。或者按照FXCarl个人的说法－－Parallax mapping才是真正具有实用价值的NormalMapping。

　　目前实践证明，这种技术非常适合XBOX360和PS3这样的新世代游戏主机（都上市一年了还用次世代……我真受不了现在有些人）。例如360游戏SEGA死刑犯就是使用的和PC游戏FEAR一样的Monolith引擎－－使用Parallax mapping。

　　Parallax mapping使用的还是单张的控制纹理。一张NormalMap。如果我们用AcdSee来看这张NormalMap，我们会发觉似乎和 NormalMapping用的控制纹理是一样的。而如果我们打开这张NormalMap的Alpha通道，就会发现其中的玄机所在。原来Alpha通道里存储的是对应这张NormalMap的BumpMap！（就是HeightMap，就是用饱和度记录表面高度）

　　现在插入一点理论课程。大家留心读上面的文字，会看见一个控制纹理的词汇。这个词汇是这里要重点解释的。因为理解控制纹理，在成为新世代美工的需求中是相当重要的。按照大家这么多年美术做下来的经验，对于图素(Texel,纹理上的一点)的理解肯定是RBG3个色彩带一个表示透明度的Alpha通道。但是在我们的渲染器和程序员的眼里，它可不是我们美术朋友们看见的东西。他们看见的是一个4通道的矢量（其实可以理解成四个数的组合）。这4个数字的取值范围分别是0到255。通过这个空间，其实可以用来做更多别的事情－－最常用的就是记录表面的物理细节。至于为什么要用控制纹理呢？FXCarl前两天听一个朋友有这么个说法：我觉得NormalMap的效果也没什么，直接画也画的出来的。其实这个说法一点都没错，但是要知道，这个想法是过时的。因为NormalMap并非用于着色，而是用于更真实的生成色彩。重所周知，用画的方式，做静帧固然可以做到无限好。可是动起来怎么办？如何才能保证在不同的光照关系下依然保证最终着色的结果正确？唯一的做法，就是每帧重画一遍。如何才能做到最有效的重画？那就要把重画的参考告诉我们的渲染器，让它来帮你做一些简单的工作，这就是控制纹理的作用－－把你想要实时改变的东西告诉渲染器。其实控制纹理的范围很大，除了NormalMap还有很多，比如说Nvidia的DEMO曾经用纹理存储物体表面在阳光下的色彩变化规律。把艺术家想要实时改变的东西压缩在纹理中告诉渲染器是一件相当有挑战性的工作，当然也会获得更令人赞叹的画面。请接受控制纹理，那是让艺术家把一个瞬间的精确着色变成一个普遍适用的着色的利器！

　　Parallax mapping是如何达到增加NormalMap的效果的呢。我们要从NormalMap的特性说起。我们假设在NormalMap表面制作一个凸起。然后我们转转角度看看。我们会发现，其实这个凸起的背对我们视线的面～并不会因为我们视角的逐渐放平而消失－－这显然是不正确的，要知道背后的东西应该是看不见的才对。因此Parallax mapping就是来缓解这个问题的，具体的代码这里不提。我来试着白话解释一下原理。其实为了不让我们看见“不该看的东西”应该试着挪动纹理坐标……把那个不该给玩家看见的图素（Texel）跳过去。也就是说根据高度图提供的数据，把那个位置较低那个纹理的后面的纹理向前拉。相当于在图素采样的时候刻意的把那个图素跳过去。这样那个不该被玩家看见的像素就会因为图素的消失而不见了－－很明显，这个算法是不太站得住脚的，虽然计算的时候会参考玩家视线的角度。但仍然是一种来自于经验的估算。值得欣慰的是，对于本身NormalMap所需要表现的微小细节来说，这样的改进已经看上去不错。因此开始有大量的游戏决定采用。特别是它的优点是所消耗的代价极为有限，而需要增加的工作量只是让美工把高度图保存到Alpha通道里而已。很划算。

　　但是对于技术研究者来说，这样的表现显然还是不够令人满意的。因此，顺着视差贴图的思路向下发展，借助ShaderModel3.0的出现。出现了一个真正从物理上改变物体表面的算法，这就是我们下一篇文章需要介绍的Displacement Mapping

　　Displacement mapping 位移贴图(置换贴图)

　　和前面说的几种方式不同，DisplacementMapping是一种真正改变物体表面的方式。通过一种称为micropolygons（微多边形）tessellate（镶嵌）的技巧来实现真正的改变物体表面的细节。

　　具体流程是这样的。首先，根据屏幕的分辨率，在模型的可见面上镶嵌和最终象素尺寸相同的微多边形。这个过程叫做镶嵌。然后读取一张Bump贴图。根据表面的灰度确定高度。然后根据镶嵌所得到的多边形，沿着原先的表面法线方向移动微多边形。接着再为新的多边形确定好新的法线方向。此时，物体的表面确实已经真的增加出了细节。

其实这种技巧，我们在使用ZBrush的时候就可以看见了。大家用过Zbrush的时候会知道，在表面刷过的细节，只有在画面静止下来之后才会越来越清晰。而微多边形镶嵌起到的就是类似的作用。只增强面对屏幕的多边形的表面粗糙细节，而不是整个模型。因此性能代价并不会像直接上高模那么大。相比来说位移贴图在效果上是没有任何瑕疵的，但是也未必没有缺点。

　　首先就是，对硬件的要求很高，必须支持ShaderMode3.0才可以，因为只有支持SM3才可以在顶点阶段进行纹理操作。同时镶嵌对于性能的消耗也不小。不过其实就对于GPU的压力而言，反而似乎要更合理一些（因为对顶点的运算要求提高，对象素级别的运算要求反而没有影响）想必在将来的DX10统一渲染构架中会更有价值。

　　和我们介绍的所有凹凸贴图技术相比，位移贴图是唯一真正改变多边形表面几何形状的方法。相比之后将要介绍的切空间光线追踪算法，这种算法的性能消耗虽然并不占优，但其实要更为合理。给予画面更多特效的机会，同时更有趣的是，其实他和其他基于象素着色的凹凸贴图并没有什么冲突。其实这种位移贴图在新世代主机的游戏中大家都有可能见到。只是可能不是大家想得到的地方。

　　它可以用来实时生成大面积的户外地形！这是其他任何凹凸贴图方式所不能比拟的！