Shader小常识之——模型法线和法线纹理是如何工作的

• 写在前边：写这篇文章是因为我有一个爱学爱问的小学弟，他经常会问一些这样那样的问题，仔细想想，也许大多数人，包括我自己在内，在刚接触一门新的知识的时候，也会因不了解而产生各种“奇怪的”问题，也许过后觉得很是简单，但是隔行如隔山，不了解的时候感觉高大上的东西，其实并没有那么神秘，所以在这里纪录下来，帮助更多“后来者”，好让其早日“居上”。

• 问题：为什么我们加了法线纹理后，模型就变得凹凸有致了，法线纹理和模型本身的法线信息是怎样一个关系？

  我们都知道，游戏中的模型都是由点连线，线练面构成的，对于一个平面来说，它的法线始终垂直于整个面的，如图所示，法线朝上。OK，这里我们做一个假设，假设太阳光从平面上方照射下来，那么此时这个面应该被照亮，接下来改变光线角度，让它从下方照射上来，结果整个平面就变暗。从这里我们可以看出，物体的法线跟光源之间的位置关系会直接影响到物体的明暗
  
  这个自然规律如果用shader来实现，其实就是一句话：
  dot(normal, lightDir)
  其中normal是法线向量，lightDir是光源向量，两者做点乘，结果大于0，表示在面的同侧，小于0则表示在异侧。我们这里用的法线是模型本身的法线（始终朝上），那如果我想让这个平面有更多的明暗关系，那怎么办？站在模型师的角度上来说，增加点线是最直观的方法，但是通常游戏都会尽量避免不必要的顶点面数，这个时候我们就可以利用一张法线纹理来重新给normal进行赋值，在frag函数里添加以下代码：
  normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpTex, i.uv))
  然后再进行点乘操作，这样面片上每个像素的法线信息都由新的法线纹理来控制，我们就完全不管模型原来的法线是什么样子了，效果如图：
  
  这里我们改变了法线信息，也就改变其与光源位置的关系，物体表现出明暗不一的凹凸感。这样就实现了在顶点数不变的情况下，增加了模型的“凹凸”感。这种方法在游戏中非常常见，从人物到场景，从旗帜到流水……当然，这毕竟是利用了一种视觉差，如果你感兴趣，可以从某些角度看看游戏里的物件，你就会发现，其实都是“假”的。
  
  OK，我想到这里，大家应该已经冥冥之中感受到了答案。但这其实只是入门的开始，我们这里只是用了一个平面，所有顶点的法线都垂直向上，你有想过，其实一个面应该有两个方向向量与之垂直，一个朝上一个朝下，那究竟哪个是它的法线呢？你有想过，那么如果是一个立方体，它一个顶点对应3个面，那它的法线应该朝哪里呢？还有法线纹理为什么都是蓝色的？该如何制作法线贴图呢？OK，今天就到这里，每天一个小知识，如果你也有这么多的问题，欢迎留言讨论，我会考虑把它写出来，大家一起分享。