凹凸映射 Bump mapping（unityshader入门精要学习笔记）
凹凸映射 Bump mapping
使用一张法线纹理（normal map）来直接存储表面法线，又被称为法线映射。
由于法线纹理中存储的法线是切线空间下的方向，因此有2 种选择：
1.在切线空间下进行光照计算，光照方向、视角方向变换到切线空间下。
2.在世界空间下进行光照计算 ，法线方向变换到世界空间下，再和世界空间下的照方向、视角方向进行计算。
引用内容地址：http://www.cnblogs.com/-867259206/p/5627565.html
关于原理详细参考：https://en.wikibooks.org/wiki/Cg_Programming/Unity/Lighting_of_Bumpy_Surfaces
1.在切线空间下计算
Shader "LT/TangentNormal"
{
Properties
{
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
_Color("Color",Color) = (1,1,1,1)
_BumpMap("Normal Map", 2D) = "white" {}
_BumpScale("Bump Scale", Float) = 1.0
_Specular("Specular",Color) = (1,1,1,1) //高光反射颜色
_Gloss("gloss", Range(5,30)) = 10 //高光区域大小
}
SubShader
{
LOD 100
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
fixed4 _Specular;
fixed4 _Color;
float _Gloss;
float _BumpScale;
sampler2D _BumpMap;
float4 _BumpMap_ST;
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float4 uv : TEXCOORD0;
float3 normal:NORMAL;
float4 tangent: TANGENT;
};
struct v2f
{
float4 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 lightDir :TEXCOORD1;
float3 viewDir :TEXCOORD2;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv.xy, _MainTex);
// o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.uv.zw, _BumpMap); 天哪还以为法线也可以这样写。。。其实是没用的
o.uv.zw = v.uv.xy *_BumpMap_ST.xy +_BumpMap_ST.zw;
//副法线 = 叉积（单位化的法向量，单位化的切线向量）*切线向量的w分量来确定副切线的方向性
//float3 binormal = cross(normalize(v.normal,normalize(v.tangent.xyz))) * v.tangent.w;
//构建一个矩阵使向量从对象空间转变到切线空间
//float3x3 rotation = float3x3(v.tangent.xyz,binormal,v.normal );
//或者使用unity提供的宏定义来直接计算得到rotation变换矩阵
TANGENT_SPACE_ROTATION;
//将光照方向和视角方向从对象空间转变到切线空间
o.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex)).xyz;
o.viewDir = mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex)).xyz;
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
fixed3 tangentLightDir = normalize(i.lightDir);
fixed3 tangentViewDir = normalize(i.viewDir);
//将法线纹理中的颜色重新映射回正确的法线方向值
fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap,i.uv.zw);
fixed3 tangentNormal;
//如果我们把“Texture Type”不设置成“Normal Map”,未压缩的格式
// tangentNormal.xy = (packedNormal.xy * 2 - 1) * _BumpScale;
//法线是单位向量， x^2+y^2+z^2 = 1.所以已知2个坐标可以求出第三个。只需2个通道
// tangentNormal.z = sqrt(1.0- saturate(dot(tangentNormal.xy ,tangentNormal.xy)));
//如果我们把“Texture Type”设置成“Normal Map”，那么上面2行代码与下面3行等价。使用内置函数UnpackNormal
//。DXT5nm压缩格式，也就是unity使用的压缩格式
tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);
tangentNormal.xy *= _BumpScale;
tangentNormal.z = sqrt(1.0- saturate(dot(tangentNormal.xy ,tangentNormal.xy)));
fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv) * _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 * pow( max(0,dot(tangentNormal,tangentLightDir)),_Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular,1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
2.在世界空间下进行计算
Shader "LT/WorldNormal"
{
Properties
{
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
_Color("Color",Color) = (1,1,1,1)
_BumpMap("Normal Map", 2D) = "white" {}
_BumpScale("Bump Scale", Float) = 1.0
_Specular("Specular",Color) = (1,1,1,1) //高光反射颜色
_Gloss("gloss", Range(5,30)) = 10 //高光区域大小
}
SubShader
{
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
fixed4 _Specular;
fixed4 _Color;
float _Gloss;
float _BumpScale;
sampler2D _BumpMap;
float4 _BumpMap_ST;
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float4 uv : TEXCOORD0;
float3 normal:NORMAL;
float4 tangent: TANGENT;
};
struct v2f
{
float4 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
float4 TtoW0 :TEXCOORD1;
float4 TtoW1 :TEXCOORD2;
float4 TtoW2 :TEXCOORD3;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.uv.xy, _MainTex);
o.uv.zw = v.uv.xy *_BumpMap_ST.xy +_BumpMap_ST.zw;
//对象空间坐标系转换到世界空间坐标系
float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal,worldTangent) * v.tangent.w;
//TtoW切线空间到世界空间的变换矩阵，按列摆放依次存放：切线，副切线，法线，顶点位置.（都是世界空间下的）
o.TtoW0 = float4(worldTangent.x,worldBinormal.x,worldNormal.x,worldPos.x);
o.TtoW1 = float4(worldTangent.y,worldBinormal.y,worldNormal.y,worldPos.y);
o.TtoW2 = float4(worldTangent.z,worldBinormal.z,worldNormal.z,worldPos.z);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
//获得世界空间中的坐标
float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w,i.TtoW1.w,i.TtoW2.w);
//计算光照和视角方向在世界坐标系中
fixed3 lightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
//获得切线空间下的法线，法线纹理“Texture Type”设置成“Normal Map”
fixed3 bump = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,i.uv.zw));
bump.xy *= _BumpScale;
bump.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(bump.xy,bump.xy)));
//将法线从切线空间转换到世界空间，单位化（矩阵每一行的xyz 与 法线点积）
bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz,bump),dot(i.TtoW1.xyz,bump),dot(i.TtoW2.xyz,bump)));
fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0,dot(bump,lightDir));
fixed3 specular = _LightColor0.rgb *_Specular * pow( max(0,dot(bump,halfDir)),_Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular,1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
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。世界坐标系下计算需要更多的计算，但是需要使用Cubemap进行环境映射等情况下，我们就需要用这个方法。