2018-03-04 Shader中法线变换记录2

上一节已经说了 把法线 从模型空间变换大世界空间的两种方法,然后就可以参与接下来的各种运算了(一般灯光的算等都是在世界空间),但是事情往往没有想象的那么简单,我们知道平时在做材质的时候,基本上都会用到法线贴图。如果我们不用法线贴图的话,这样做是可以的,但是想要用法线贴图,就需要多一些计算。

1.先得到一个“从切线空间到世界空间”的矩阵。
为什么要这个矩阵?我们平时看到的法线贴图记录的都是切线空间下的法线信息(实质上是坐标信息),我们想要用这张图参与接下来的光照计算,其它的如“顶点坐标”““灯光位置”等等都是在世界空间的,自然的这张图也需要在世界空间才能参与计算。因此需要这个“从切线空间到世界空间”的矩阵,来对这张法线图进行变换。一般的用的矩阵是:

float3x3 tangentTransform = float3x3(i.tangentDir,i.bitangentDir,i.normalDir);

矩阵的三个参数:切线、副切线、法线,注意三个参数要进行归一化!

2.对纹理进行采样
既然是使用纹理,项diffusecolor(basecolor)一样,需要对纹理进行采样,用到两个函数:

TRANSFORM_TEX() //计算贴图的UV
tex2D()//对纹理进行采样

当然也可以在一步完成如:

packedNormal = tex2D(_BumpMap,TRANSFORM_TEX(i.uv0,_BumpMap))

3.对“法线贴图”进行解包(Unpack)操作。
(1)上面说到法线贴图记录的是切线空间下的法线信息。而“法线贴图”本身从名字来看,它本身是张图,既然是图,也就是意味着它记录的是颜色信息(RGB)。所以法线贴图本身是有一个映射关系的。
法线本身分量是在[-1,1],而法线贴图(RGB)是以像素为单位的,像素的范围是[0,1],法线变成法线图,必然有个映射关系,那就是“pixel = (normal + 1) / 2”。
(2)另外这个公式还可以解释为什么法线贴图是浅蓝色的,因为法线图是切线空间下的,而切线空间下的法线基本上都在“顶点的切线空间的Z轴方向”扰动,也就是基本上都是(0,0,1)。带入公式,像素值=(0.5,0.5,1)
这个值正是浅蓝色。
(3)既然法线贴图要参与下面的计算,就要映射回去,由上面的公式逆推一下,法线=pixel * 2 - 1,带入公式计算:

//接着上面的代码:
float3 tangentNormal
tangentNormal.xy = (packedNormal.xy * 2 - 1) * _BumpScale;
tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));

①上面第一句的意思是首先把“法线贴图”的xy分量按公式映射回法线方向,然后乘以_MumpScale(控制法线强度的值)来得到切线空间下法线的 x y分量。
②第二句意思是:由x y分量,计算Z分量。这是由于法线是单位矢量,所以Z分量可以这么计算。由于我们使用的是切线空间下的法线贴图,因此可以保证法线的Z分量为正(可以参考下面的图)


image.png

(4)理论上这么做是可以的。但是Unity为了优化贴图,在进行“反映射”的同时对纹理进行了压缩优化。具体操作就是把导入的法线贴图,在其属性面板中,把选项标记成“NormalMap”这个操作(即使你不标记,Unity也会提醒你的),在shader中的体现就是“UnpackNormal()”函数。这个函数把压缩贴图和“反映射”同步进行了,具体的可以参考“UnityCG.cginc”下面的定义:

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
}

①可以看到“UnpackNormal()”函数包含了“UnpackNormalDXT5nm()函数”,“UnpackNormal()”函数里面只是做了一个简单的判断(判断是否进行纹理压缩),而真正进行计算的是“UnpackNormalDXT5nm()函数” 其中“DXT5”应该看着很眼熟,它正是压缩方法的其中一种。
②“具体的细节是:把“w”分量(纹理的a通道)对应法线的 x 分量。g通道对应了法线的y分量,而纹理的r和b通道则会被舍弃,法线的Z分量可以由x y 推导得出。更具体的细节以后再看吧。可以看到“UnpackNormalDXT5nm()函数”的输入参数是“packednormal”,(采样后的法线贴图),但是“packednormal”的参数只有RGB,没有w y 所以可以推断这个压缩过程是在外部进行的。而“UnpackNormalDXT5nm()函数”只是对压缩后的“packednormal”新的RGB进行反映射。

(5)反映射后,如果还想要调节法线的强度,同样的还需要乘上调节强度的参数(_BumpScale)具体可以这样写:

fixed3 tangentNormal;
tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);
tangentNormal.xy *= _BumpScale;
tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));

可以看到只是把(3)手动映射的计算,换成UnpackNormal()操计算。这样才能保证得到的正确法的法线。
这里还要提一句:不能把得到的“tangentNormal”直接带入“反映射公式”去计算,如:
tangentNormal = tangentNormal.xyz * 2-1,因为Z分量是由 x y 分量推导出来的。

4.得到反映射的法线后,就可以 用“1”得到的变换矩阵去变换了:

float3 normalDirection = normalize(mul(tangentNormal,tangentTransform));
//用矩阵变换后,执行归一化

5.到这里,需要用法线贴图的基本shader的法线变换就讲完了。

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