【Unity Shaders】学习笔记——SurfaceShader（七）法线贴图

【Unity Shaders】学习笔记——SurfaceShader（七）法线贴图

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写作本系列文章时使用的是Unity5.3。
写代码之前：

1. 当然啦，如果Unity都没安装的话肯定不会来学Unity Shaders吧？

2. 阅读本系列文章之前你需要有一些编程的概念。

3. 在VS里面，Unity Shaders是没有语法高亮显示和智能提示的，VS党可以参考一下这篇文章使代码高亮显示，也可以下载shaderlabvs或NShader之类的插件使代码高亮显示。

4. 这是针对小白的Unity Shaders的基础知识，如果你已经有了基础或者你是大神，那么这些文章不适合你。

5. 由于作者水平的局限，文中或许会有谬误之处，恳请指出。

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法线贴图是一种在低模上模拟高模的效果的技术。这是维基对它的介绍。
法线贴图类似凹凸贴图的升级版，凹凸贴图记录了物体表面凹凸的情况，法线贴图记录了物体表面凹凸的光照信息。光照信息即是入射光与法线的夹角信息。
为了提高性能，模型的面数越少越好，很多细节的东西都是用贴图去弥补。但是光照是基于顶点去计算的，这样高光阴影等光照的表现就不够真实。于是前辈们发明了法线贴图这个办法，用贴图记录表面的光照信息，也就是用RGB值存储法线坐标的XYZ值，使低模也能够有高模的光照信息，从而表现出高模的光照效果。这是一种存储空间换计算时间的方法。这篇文章介绍了3DMax制作法线贴图的方法，看完应该会更理解法线贴图的作用。
下面这张图便说明了法线贴图的原理：

接下来就来学习如何编写有法线贴图的Shader吧。

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首先准备一张NormalMap，要将它的Texture Type改为Normal Map：

先定义几个Properties：

    Properties 
    {
        //Add these Properties
        _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)
        _NormalTex ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
        _NormalIntensity ("Normal Map Intensity", Range(0,2)) = 1
    }

_NormalTex就是法线贴图，_NormalIntensity是法线的强度，也就是控制凹凸的强度。
在SubShader里定义同名的变量：

        //Link the property to the CG program
        sampler2D _NormalTex;
        float4 _MainTint;
        float _NormalIntensity;

在Input结构里定义法线贴图的纹理坐标：

        //Make sure you get the uvs for the texture in the Struct
        struct Input 
        {
            float2 uv_NormalTex;
        };

编写surf函数：

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) 
{
    //Get the normal Data out of the normal map textures
    //using the UnpackNormal() function.
    float3 normalMap = UnpackNormal(tex2D(_NormalTex, IN.uv_NormalTex));
    normalMap = float3(normalMap.x * _NormalIntensity,
    normalMap.y * _NormalIntensity, normalMap.z);               
    //Apply the new normals to the lighting model
    o.Normal = normalMap.rgb;
    o.Albedo = _MainTint.rgb;
    o.Alpha = _MainTint.a;
}

解释

法线贴图中记录了高模的法线信息。法线的值是[-1,1]，RGB的值是[0,1]，所以将法线信息存储在RGB中需要转换。方法是((x,y,z)+(1,1,1))*0.5。也就是原先(-1,0,1)坐标变成了（0，0.5，1）。UnpackNormal函数的作用就是转换坐标点。
在Unity安装目录（/Editor/Data/CGIncludes/）下的Unity.cginc文件里有UnpackNormal函数的定义。

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;
}

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

我们看到，有两种转换法线的函数，这两种函数是针对不同法线贴图格式的。
如果是未压缩的格式，就将法线贴图里存储的xyz值乘2减1，变回原来的坐标。
如果是DXT5nm压缩格式（可以推测这应该是Unity使用的压缩格式），则要用另外一种转换方法。（这也是为什么要将纹理类型设置为Normal Map的原因，因为不同类型的图片要用不同的方法转换）
DXT5nm压缩格式，只有G和A通道。因为法线是单位向量，所以只要知道任意两个坐标值，就能求出另一个坐标值（z²=1-x²-y²)，只要两个通道存储两个坐标值即可。因为这样的计算并不复杂，所以可以节省空间以使用更多的贴图。DXT5nm将R通道的值移到了Alpha通道，保留G通道的值，R和B通道则以某种颜色填充。
所以转换DXT5nm的法线贴图，要先将A通道和G通道的值（wy)转换为xy，再计算z值。
后面的代码就好解释了。转换了法线坐标以后将法线赋值给输出结构体的Normal变量。因为法线（0，0，1）就表明这点的法线和高模的法线相同，所以Z坐标没有必要乘_NormalIntensity。

法线贴图原理

法线贴图的基本原理前面已经讲过了，就是将高模的法线信息xyz存储在rgb中，应用法线贴图的时候将rgb值转换为xyz，在计算光照的时候，使用高模的法线进行计算，从而得到高模的光影效果，造成低模呈现高模较为平滑的表面的假象，这是一种视觉欺骗。
这个小节里要再详细谈谈法线的坐标。
要表示一个向量在三维空间的位置需要一个三维坐标系作参考。要表示法线的方位可以用世界坐标（World Space），也可以用模型坐标（Object Space）。这两个坐标系大家应该听说过。
如果用世界坐标，那么模型就不能旋转和移动了。因为模型的位置改变了，它在世界坐标系里的坐标也改变了，但法线的坐标是基于世界坐标系的，这样法线的位置就不对了。不然读取了法线信息还要再进行世界坐标的转换。
如果用模型坐标，就没有世界坐标不能旋转和移动的局限了。不管模型怎么旋转移动，法线的位置是相对于模型的，所以法线的坐标不会变。相比于世界坐标，使用模型坐标还要进行模型坐标到世界坐标的转换，效率低点，但灵活性更好了。
但是使用模型坐标还有局限，就是模型不能变形。因为模型变形了，法线相对模型的坐标也变了，一些会有形变的物体（比如有骨骼蒙皮动画的模型）就不适用基于模型坐标的法线贴图。
所以还需要另外一种坐标系，使法线贴图不仅仅适用于某个模型，还可以用在其他模型上。
这种坐标系就是切线坐标（Tangent Space）。切线坐标就以表面上某一点的切线作为XY轴，法线作为Z轴（即垂至表面的轴）。这样的话，符合要求的坐标系有无数种。我们可以直接将纹理的UV坐标当作XY轴，这样就有一个现成的坐标系可以使用。
可以这样理解切线坐标，它表示的是高模上的法线相对对应点上的低模的法线的扰动程度。当法线坐标是（0，0，1）的时候，说明高模法线和低模法线一致，相当于切线坐标表示的是高模法线相对低模法线在XY方向上的偏移程度。这也解释了上文代码中为什么Z轴不用乘_NormalIntensity。
法线贴图是用于表现表面微小的凹凸的，比如皮肤皱纹、鱼鳞等，所以法线的扰动值不会太大，也就是Z坐标的值是比较大，所以B通道的值比较大，所以法线贴图通常都是蓝盈盈的。
使用切线坐标也就是说每个面都有一个自己的坐标系。在Vertex Shader里进行光照计算的时候要将光线向量的坐标从World Space转换到Tangent Space。所以我们可以在Surface Shader里使用lightDir变量和normal变量进行计算，因为Unity帮我们做了很多工作。
相比模型坐标，切线坐标更加灵活，可以应用在与原模型形状不同的模型上，比如可以把花岗岩的法线贴图应用在一个圆柱体表面，使圆柱体表面也具有花岗岩的凹凸效果。
法线贴图通常有两种，一种是Object Space Normal Map，一种是Tangent Space Normal Map。如果模型没有动画，那么可以使用Object Space Normal Map，如果模型有动画，或者会变形（比如流动的水、火焰）那就要使用Tangent Space Normal Map。因为Tangent Space Normal Map要灵活的多，可以应用于不同的物体，所以Tangent Space Normal Map使用得更多一些。