【風宇沖】Unity3D教程寶典之Shader篇：第二十講法線貼圖

【風宇沖】Unity3D教程寶典之Shader篇：第二十講法線貼圖(2012-12-26 10:42:55)

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標籤： unity3d教程unity3dunityit遊戲開發

分類： Unity3d之Shader篇

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第二十講 法線貼圖

上一講我們講了凹凸貼圖以及產生法線貼圖。這一講來談談怎麼使用法線貼圖。一：法線貼圖的原理二：法線貼圖的實現三：法線貼圖的使用四：法線貼圖的格式一：法線貼圖的原理    光照效果很大程度上是由垂直於物體表面的法線決定的，因為法線影響反射光的方向。均勻垂直的法線是鏡面貼圖。但是有時候我們會給一個平面使用磚牆貼圖，磚牆應該是凹凸不平的，而如果讓磚牆使用該平面的法線的話，畫面就會很假，神馬？一面牆像鏡子一樣反光=。=而如果按真實磚牆去做模型的話，即做高精度模型，一方面製作麻煩，另一方面運行時對效能損耗大。法線貼圖就是來解決這個問題的。法線貼圖就是把法線資訊儲存在一張圖裡。使用法線貼圖時，通常頂點數和三角形面數只有高精度模型的十分之一不到。二：法線貼圖的實現    將材質貼圖對應的法線 繪製在一張貼圖上。將貼圖對應點的單位法線向量資訊float3(x,y,z) 儲存在圖對應的顏色裡color(r,g,b)裡，其中x,y,z分別對應r,g,b。單位法線向量 float3(x,y,z),x，y,z的取值範圍是 [-1,1]。在法線貼圖中被壓縮在顏色的範圍[0,1]中，所以需要轉換：顏色 = 0.5 * 法線 + 0.5;線 = 2 * (顏色 - 0.5);  
 
三：法線貼圖的使用主要步驟（1）對法線貼圖進行採樣，取得壓縮在色彩空間[0,1]裡的法線float4 packedNormal = tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex);（2）將壓縮在[0,1]裡的法線轉換至3D空間[-1,1]  (因為是單位向量)float3 expand(float3 v) { return (v -
0.5) * 2; }   之後使用該法線即可，方法與16講裡一樣。
   具體實現詳見本文末的指令碼。
四：法線貼圖的格式法線貼圖主要分為2個類別：（1）RGB法線貼圖,即上面使用的。通常呈藍色。（尾碼可以是常見的.png  .jpg等）（2）壓縮格式的法線貼圖。例如DXT5nm（尾碼名為.dds)

 dds是DirectDraw Surface的縮寫，實際上，它是DirectX紋理壓縮（DirectX Texture Compression，簡稱DXTC）的產物。DXTC減少了紋理記憶體消耗的50%甚至更多，有3種DXTC的格式可供使用，它們分別是DXT1，DXT3和DXT5。

有關DDS的延伸閱讀 壓縮法線貼圖的原理：法線（x,y,z）是一條單位向量。故X2 + Y2 +Z2 
=1。所以知道了x,y,z裡的任意兩個，剩下的那個就可以通過計算得出。所以我們就可以使用2個通道的圖儲存x,y,z裡的兩個值，將xyz裡剩餘的值省略，通過計算得出。 壓縮法線貼圖的好處：壓縮後的法線貼圖，大小隻有原來的1/4左右，故可以使用更大或者更多的貼圖來提升畫面品質。
Unity3d的法線貼圖：Unity3d使用的壓縮法線貼圖是DXT5nm格式的。有A和G兩個通道。對於法線（x,y,z） A對應x,G對應y。對壓縮法線貼圖的採樣依然是如下函數：

float4 packedNormal = tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex);

packedNormal.w對應A通道,即法線的x。

packedNormal.y對應G通道,即法線的y。

範圍依然是[0,1], 依然需要轉換至[-1,1]。對DXT5nm法線貼圖進行轉換的函數如下，其中v傳入packedNormal

1. float3 expand(float3 v)
2.  { 
3. fixed3 normal;
4. normal.xy = v.wy * 2 - 1;
5. normal.z = sqrt(1 - normal.x*normal.x - normal.y * normal.y);
6. return normal;
7. }

Unity3d的標準法線解壓函數是fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal)。開啟UnityCG.cginc找到對應函數：

1. inline fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal)
2. {
3. #if defined(SHADER_API_GLES) && defined(SHADER_API_MOBILE)
4. return packednormal.xyz * 2 - 1;
5. #else
6. fixed3 normal;
7. normal.xy = packednormal.wy * 2 - 1;
8. normal.z = sqrt(1 - normal.x*normal.x - normal.y * normal.y);
9. return normal;
10. #endif
11. }

該函數定義的如果是移動平台或者OpenGL ES，那麼斷定使用的是RGB法線貼圖，否則則為DXT5nm貼圖。但實際上移動平台也可以用壓縮格式的法線貼圖，而Windows也能使用RGB法線貼圖。故不建議使用UnpackNormal函數，建議根據法線貼圖的具體格式來使用自己寫的對應函數。
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指令碼：

1. //  Shader: 帶法線貼圖的Surface Shader
2. //  Author: 風宇沖
3. Shader "Custom/3_NormalMap" {
4.   Properties
5.   {
6.     _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
7.     _NormalMap ("NormalMap", 2D) = "white" {}
8.   }
9.  
10.   Subshader
11.   {
12.   CGPROGRAM
13.   #pragma surface surf BlinnPhong 
14.   struct Input
15.   {
16.   float2 uv_MainTex;
17.   };
18.  
19.   //法線範圍轉換：單位法線 float3(x,y,z),x，y,z的取值範圍是 [-1,1]。在法線貼圖中被壓縮在顏色的範圍[0,1]中，所以需要轉換
    
20.   //(1)RGB法線貼圖
21.   float3 expand(float3 v) { return (v - 0.5) * 2; }
22.   //(2)DXT5nm法線貼圖
23.   float3 expand2(float4 v)
24. { 
25. fixed3 normal;
26. normal.xy = v.wy * 2 - 1;
27. normal.z = sqrt(1 - normal.x*normal.x - normal.y * normal.y);
28. return normal;
29. }
30.  
31.   sampler2D _MainTex;
32.   sampler2D _NormalMap;
33.  
34.   void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o)
35.   {
36.   half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
37.   o.Albedo = c.rgb;
38.   o.Alpha = c.a;
39.  
40. //對法線貼圖進行採樣，取得壓縮在色彩空間裡的法線（[0,1]）
41.  float4 packedNormal = tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex);
    
42.  
43.   //要將色彩空間裡的法線[0,1],轉換至真正3D空間裡的法線範圍[-1,1]
44.   //注意：範圍基本都是從[0,1]轉換至[-1,1].主要是圖的通道與法線xyz的對應關係要根據法線貼圖格式而定
45.   //UnpackNormal, UnityCG.cginc裡的函數
46.   //o.Normal = UnpackNormal(packedNormal);
47.  
48.   //expand,標準法線解壓函數
49.  o.Normal = expand(packedNormal.xyz);
    
50.   }
51.   ENDCG
52.   }