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法线贴图Shader
法线贴图 (Normal Map) 是一种凹凸贴图 (Bump Map)。它们是一种特殊的纹理，可让您将表面细节（如凹凸、凹槽和划痕）添加到模型，从而捕捉光线，就像由真实几何体表示一样。
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回复shader法线贴图原理
在模型制作中，我们可以真实的去制作出凹凸感，但是这样会增加模型的面数，增加性能。那么有什么办法，不改模型的面数，就能出现凹凸感呢，那便是使用法线贴图，使用一个2D纹理来储存法线数据。
光照到物体上再通过反射光到人眼，当有凹凸面时，那么反射光线与平面是不一样的，从而产生凹凸感。而反射光线跟物体的法线有关，如果我们修改法线方向，那么反射的光线也会随之改变，当照射到人眼时，便会产生凹凸的感觉，也就模拟了真实的凹凸物体。
现实中我们无法做到，但是在计算机中，我们就可以做到，通过计算，实现一种模拟的凹凸感，用一张2D纹理来存储我们的法线数据，来修复模型的法线，从而实现凹凸的感觉。
那么法线贴图该是什么样的呢？平常我们看到法线贴图通常是这样的。那么为什么会是蓝紫色的呢？
在切线空间中，法线的方向使用z轴来表示，法线方向为(0,0,1)。法线向量从z轴方向往其他方向偏移，即修改x，y的值，法线向量方向便发生了变化，同时再经过光照计算得到反射光方向也发生了偏移，便产生了凹凸感。此时通过2d纹理如何来表示这种改变呢？由于法线的范围为-1~1，而颜色的范围为0 ~1，经过下面公式计算得到颜色值
vec3 rgb_normal = (normal + 1)/2; // 从 [-1,1] 转换至 [0,1]- 1
此时颜色值为（0.5，0.5，1），通常软件工具颜色值的范围为0~255，通过软件工具我们查看颜色（128，128，255）
此时我们修改颜色值，如下图所示，变得到了一个产生凹凸感的颜色值。
以上便是法线贴图呈现蓝紫色的原因。此时再由法线贴图转为法线向量，即把上面的公式反过来，得到法线向量vec3 normal = (rgb_normal)*2-1 从 [0,1]转换至 [-1,1]- 1
实际应用
我们在Unity Shader中编写程序，来呈现法线贴图如何应用到模型上的。
我们把法线纹理的纹理类型标识成Normal map时，可以使用Unity的内置函数UnpackNormal来得到正确的法线方向，把法线范围设置为-1~1fixed3 normalDir = UnpackNormal(noramlColor);- 1
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思考：那么为什么我们不直接使用
normal = (rgb_normal)*2-1的计算方法获得法线方向呢？因为无法得到正确的结果。查看源码看看UnpackNormal方法
inline fixed3 UnpackNormalDXT5nm (fixed4 packednormal) { fixed3 normal; normal.xy = packednormal.wy * 2 - 1; normal.z = sqrt(1 - saturate(dot(normal.xy, normal.xy))); return normal; } // Unpack normal as DXT5nm (1, y, 1, x) or BC5 (x, y, 0, 1) // Note neutral texture like "bump" is (0, 0, 1, 1) to work with both plain RGB normal and DXT5nm/BC5 fixed3 UnpackNormalmapRGorAG(fixed4 packednormal) { // This do the trick packednormal.x *= packednormal.w; fixed3 normal; normal.xy = packednormal.xy * 2 - 1; normal.z = sqrt(1 - saturate(dot(normal.xy, normal.xy))); return normal; } inline fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal) { #if defined(UNITY_NO_DXT5nm) return packednormal.xyz * 2 - 1; #elif defined(UNITY_ASTC_NORMALMAP_ENCODING) return UnpackNormalDXT5nm(packednormal); #else return UnpackNormalmapRGorAG(packednormal); #endif }- 1
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当我们把纹理类型设置成Normal map时，Unity根据不同平台对纹理进行压缩（例如使用DXT5nm格式），从而减少减少法线纹理占用的内存空间。UnpackNormal函数内根据不同的压缩格式进行了判断，通过UnpackNormal函数来针对不同的压缩格式对法线纹理进行正确的采样。如源码中的
UnpackNormalDXT5nm、UnpackNormalmapRGorAG函数。完整代码：
Shader "My/tietu2" { Properties { _MainTex("Main Tex",2D) = "white"{} _NormalMap("Normal Map",2D) = "bump"{} _Range("Range",Range(0,1)) = 0.5 } SubShader { Tags{"LightMode" = "ForwardBase" } Pass{ CGPROGRAM #include "Lighting.cginc" #pragma vertex vert; #pragma fragment frag; float _Range; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; sampler2D _NormalMap; float4 _NormalMap_ST; struct a2v { float4 vertex:POSITION; float4 texcoord:TEXCOORD0; float3 normal:NORMAL; float4 tangent:TANGENT; }; struct v2f { float4 uv:TEXCOORD0; float4 svPos:SV_POSITION; float3 normal:TEXCOORD1; float3 lightDir:TEXCOORD2; }; v2f vert(a2v v) { v2f f; f.svPos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); f.uv.xy = v.texcoord.xy*_MainTex_ST.xy+_MainTex_ST.zw; f.uv.zw = v.texcoord.xy*_NormalMap_ST.xy+_NormalMap_ST.zw;; // f.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); TANGENT_SPACE_ROTATION;//调用之后，会得到一个矩阵rotation，这个矩阵用来把模型空间下的方向转换为切线空间 f.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex));//把光从模型空间，转为切线空间 return f; } fixed4 frag(v2f f):SV_Target{ fixed3 texColor = tex2D(_MainTex,f.uv.xy); half4 noramlColor = tex2D(_NormalMap,f.uv.zw); fixed3 normalDir = UnpackNormal(noramlColor); normalDir = normalize(normalDir); fixed3 lightDir = normalize(f.lightDir); fixed3 texColo = _LightColor0.rgb*texColor*max(0,dot(normalDir,lightDir)*0.5+0.5); fixed3 color = texColo+UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb; return fixed4(color,1); } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }- 1
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调整凹凸感
上面我们已经实现的法线贴图，那么一张法线贴图，我们可以调整凹凸感吗，答案是肯定的。下面我们来实现。
我们让xy的值乘以一个系数，增大xy方向值，偏移后的法线是归一化的，因此满足x2 + y2 + z2 = 1。xy值增大，则z方向的值减小，凹凸感越大；当xy方向的值越小，越趋近于0时，表面越光滑。
关键程序fixed3 normalDir = UnpackNormal(noramlColor); normalDir.xy = normalDir.xy*_BumpScale; //(dot(xy,xy))=x*x+y*y //由于偏移后的法线是归一化的，因此满足x2 + y2 + z2 = 1 //所以z=sqrt(1-(x2+y2)) normalDir.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(normalDir.xy,normalDir.xy))); normalDir = normalize(normalDir);- 1
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Shader "My/tietu3" { Properties { _MainTex("Main Tex",2D) = "white"{} _NormalMap("Normal Map",2D) = "bump"{} _BumpScale("Bump Scale",Float) =1 } SubShader { Tags{"LightMode" = "ForwardBase" } Pass{ CGPROGRAM #include "Lighting.cginc" #pragma vertex vert; #pragma fragment frag; sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; sampler2D _NormalMap; float4 _NormalMap_ST; float _BumpScale; struct a2v { float4 vertex:POSITION; float4 texcoord:TEXCOORD0; float3 normal:NORMAL; float4 tangent:TANGENT; }; struct v2f { float4 uv:TEXCOORD0; float4 svPos:SV_POSITION; float3 normal:TEXCOORD1; float3 lightDir:TEXCOORD2; }; v2f vert(a2v v) { v2f f; f.svPos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); f.uv.xy = v.texcoord.xy*_MainTex_ST.xy+_MainTex_ST.zw; f.uv.zw = v.texcoord.xy*_NormalMap_ST.xy+_NormalMap_ST.zw;; // f.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); TANGENT_SPACE_ROTATION;//调用之后，会得到一个矩阵rotation，这个矩阵用来把模型空间下的方向转换为切线空间 f.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex));//把光从模型空间，转为切线空间 return f; } fixed4 frag(v2f f):SV_Target{ fixed3 texColor = tex2D(_MainTex,f.uv.xy); half4 noramlColor = tex2D(_NormalMap,f.uv.zw); fixed3 normalDir = UnpackNormal(noramlColor); normalDir.xy = normalDir.xy*_BumpScale; //(dot(xy,xy))=x*x+y*y //由于偏移后的法线是归一化的，因此满足x2 + y2 + z2 = 1 //所以z=sqrt(1-(x2+y2)) normalDir.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(normalDir.xy,normalDir.xy))); normalDir = normalize(normalDir); fixed3 lightDir = normalize(f.lightDir); fixed3 texColo = texColor*max(0,dot(normalDir,lightDir)*0.5+0.5); fixed3 color = texColo+UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb; return fixed4(color,1); } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }- 1
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应用到Unity如下图所示，调整Bump Scale的值调整凹凸感
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- 原文地址：https://blog.csdn.net/u014196765/article/details/127727566