来源:《UNITY SHADER入门精要》
我们要实现的是有深度效果的纹理贴图,我们是通过法线来实现的,主要通过法线贴图,然后把视线向量和光线向量转换到切线空间,在切线空间来进行计算
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 7/Normal Map In Tangent Space" {
Properties {
_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
_BumpMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
_BumpScale ("Bump Scale", Float) = 1.0
_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
老规矩,先给Shader命名,然后,定义它的 Properties语义块:_Color
基础的颜色,_MainTex
主要的纹理图,_BumpMap
法线纹理图,_BumpScale
法线的凹凸程度参数,_Specular
高光参数,_Gloss
光圈大小。这里不会有 _Diffues
属性了,因为之后的反射程度的参数会根据纹理和光线计算出来。
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Color;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _BumpMap;
float4 _BumpMap_ST;
float _BumpScale;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
和 Properties语义块中的属性建立联系,同样,对于纹理的偏移系数,我们定义了 _MainTex_ST
和 _BumpMap_ST
变量。
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
float4 tangent : TANGENT;
float4 texcoord : TEXCOORD0;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float4 uv : TEXCOORD0;
float3 lightDir: TEXCOORD1;
float3 viewDir : TEXCOORD2;
};
我们定义用于输入输出的结构体。第 5 行的语义,TANGENT,也是Unity内置的语义,它和 法线 normal 不一样,它是 float4 类型的,因为我们需要 tangent.w 这个分量来决定切线空间中的第三个坐标轴——副切线的方向性。
在顶点着色器的输出中,我们添加了两个变量来存储变换后的光照和视角方向。
float4x4 inverse(float4x4 input) {
#define minor(a,b,c) determinant(float3x3(input.a, input.b, input.c))
//determinant(float3x3(input._22_23_23, input._32_33_34, input._42_43_44))
float4x4 cofactors = float4x4(
minor(_22_23_24, _32_33_34, _42_43_44),
-minor(_21_23_24, _31_33_34, _41_43_44),
minor(_21_22_24, _31_32_34, _41_42_44),
-minor(_21_22_23, _31_32_33, _41_42_43),
-minor(_12_13_14, _32_33_34, _42_43_44),
minor(_11_13_14, _31_33_34, _41_43_44),
-minor(_11_12_14, _31_32_34, _41_42_44),
minor(_11_12_13, _31_32_33, _41_42_43),
minor(_12_13_14, _22_23_24, _42_43_44),
-minor(_11_13_14, _21_23_24, _41_43_44),
minor(_11_12_14, _21_22_24, _41_42_44),
-minor(_11_12_13, _21_22_23, _41_42_43),
-minor(_12_13_14, _22_23_24, _32_33_34),
minor(_11_13_14, _21_23_24, _31_33_34),
-minor(_11_12_14, _21_22_24, _31_32_34),
minor(_11_12_13, _21_22_23, _31_32_33)
);
#undef minor
return transpose(cofactors) / determinant(input);
}
以上,我们只能自己写一个逆矩阵,因为unity它不再提供 inverse 的函数了。
作者的参考: http://answers.unity3d.com/questions/218333/shader-inversefloat4x4-function.html。
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;
// 构造从 切线空间 到 世界空间 的变换矩阵
fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w;
/*
float4x4 tangentToWorld = float4x4(worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x, 0.0,
worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y, 0.0,
worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z, 0.0,
0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
// 切线空间 到 世界空间 的矩阵,可以由列向量按列排列来构造,然后取逆得到 世界 到 切线的矩阵
float3x3 worldToTangent = inverse(tangentToWorld);
*/
//如果它只有平移和旋转,没有缩放,那就是正交矩阵,直接通过它的转置可以得到它的逆矩阵
float3x3 worldToTangent = float3x3(worldTangent, worldBinormal, worldNormal);
// Transform the light and view dir from world space to tangent space
o.lightDir = mul(worldToTangent, WorldSpaceLightDir(v.vertex));
o.viewDir = mul(worldToTangent, WorldSpaceViewDir(v.vertex));
return o;
}
我们这里构造的是从 切线空间 到 世界空间 的变换矩阵。按照冯乐乐的代码注释,这样写可以处理统一缩放的矩阵和非统一缩放的矩阵。因为不能保证它是正交矩阵的时候,我们就只能自己计算它的逆。
第 26、27 行,我们使用了 Unity 的内置函数 WorldSpaceLightDir()
和 WorldSpaceViewDir()
来得到世界空间下的光照。然后它们乘以 rotation 变换到 切线空间。
/// 以下重写的顶点着色器只适用于统一缩放的矩阵,不统一缩放的矩阵不行。
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;
// Compute the binormal
float3 binormal = cross( normalize(v.normal), normalize(v.tangent.xyz) ) * v.tangent.w;
// Construct a matrix which transform vectors from object space to tangent space
float3x3 rotation = float3x3(v.tangent.xyz, binormal, v.normal);
// Or just use the built-in macro
//TANGENT_SPACE_ROTATION;
// Transform the light direction from object space to tangent space
o.lightDir = mul(rotation, normalize(ObjSpaceLightDir(v.vertex))).xyz;
// Transform the view direction from object space to tangent space
o.viewDir = mul(rotation, normalize(ObjSpaceViewDir(v.vertex))).xyz;
return o;
}
注意第 15 行,这里也可以使用内置定义宏,其实和我们写的一样,这里,我们查看了源码:
// 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 )
其实和我们写的方式是一样的。看第 1 行,我们要使用这个宏,会提供矩阵 rotation。
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 tangentLightDir = normalize(i.lightDir);
fixed3 tangentViewDir = normalize(i.viewDir);
// Get the texel in the normal map
fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap, i.uv.zw);
fixed3 tangentNormal;
//如果我们没有在选项中把它设置为 “Normal map”,就需要手动在代码中解决。
//tangentNormal.xy = (packedNormal.xy * 2 - 1) * _BumpScale;
//tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));
// Or mark the texture as "Normal map", and use the built-in funciton
tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);
fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(tangentNormal, tangentLightDir));
fixed3 halfDir = normalize(tangentLightDir + tangentViewDir);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(tangentNormal, halfDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
我们根据之前在顶点着色器中计算过的 切线空间的 光线向量 和 视线向量。所有计算都在切线空间中完成。
第 6 行,我们使用 tex2D()函数
来采样 法线纹理 _BumpMap
。
第 9-11 行,如果我们没有在选项中把 _BumpMap
设置为 “Normal map”,我们就需要在代码中转换。正如之前讲理论的时候所说,法线纹理中存储的是法线的xyz经过在 颜色空间 中映射之后,存储得到的像素值:
p
i
x
e
l
=
n
o
r
m
a
l
+
1
2
pixel=\frac{normal+1}{2}
pixel=2normal+1。因此,我们需要把存储的信息反映射回来:
n
o
r
m
a
l
=
2
×
p
i
x
e
l
−
1
normal = 2\times pixel - 1
normal=2×pixel−1 。然后我们需要乘以 _BumpScale
(用以控制凹凸程度)来得到 tangentNormal
。
当然,我们应当把纹理类型标识成 Normal map,Unity 会根据平台来选择不同的压缩方法。这时,这时,我们就不能用自己的方法反映射出法线信息了。因为此时 _BumpMap
的RGB分量并不再是法线方向的XYZ值了。所以我们应该使用 Unity 的内置函数 UnpackNormal
来得到正确的法线方向。
我们在第 14 行用到了这个内置函数,我们在UnityCG.cginc中能找到:
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
}
只有当我们把法线纹理的纹理类型标识成 Normal map 时,可以使用 Unity 内置函数 UnpackNormal
来得到正确的法线方向。按照不同的压缩方式,会有不同的解压方法。
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}