【Unity Shaders】Reflecting Your World —— Unity3D中的法线贴图和反射

本系列主要参考《Unity Shaders and Effects Cookbook》一书（感谢原书作者），同时会加上一点个人理解或拓展。

这里是本书所有的插图。这里是本书所需的代码和资源（当然你也可以从官网下载）。

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写在前面

有很多情况你可能想要使用法线去影响反射效果。比如，你想要模拟一个被霜雪覆盖的玻璃材质的表面，或者一个冰块。如果你根据物理知识真实的模拟这个平面的每一个细节部分，那么你就不要希望你游戏的FPS还可以达到60帧了。相反的，我们可以使用法线贴图来伪造一个视觉体验，因此我们需要学习如何将法线贴图的信息传递给反射效果。

为了完成这个任务，我们将要学习Input结构体的另一个内置参数，它可以将由法线贴图技术生成的修改后的平面法线信息传递进来。下面，让我们来具体看一下如何修改Input结构体来达到这个效果吧！

准备

1. 首先，我们需要一个Cubemap来产生反射效果。所以你可以使用前一节中的Cubemap，或者生成一个新的。这一节中，我们使用的如下所示（你可以在本书资源中找到它）：
   
   
2. 我们还需要一张法线贴图来产生基于法线的反射效果。
   
   
3. 最后，创建一个新的场景、一个球体、一个平面以及一个平行光。同时，还需要创建一个新的Shader和Material，命名为NormalMappedReflection。
   

实现

1. 首先让我们添加新的properties，使得我们能够添加自己的Cubemap和法线贴图。这个步骤你应该非常熟悉了。向Properties块添加下列代码：
   

   	Properties {
   		_MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)
   		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
   		_NormalMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
   		_Cubemap ("Cubemap", CUBE) = ""{}
   		_ReflAmount ("Reflection Amount", Range(0,1)) = 0.5
   	}

2. 然后，我们需要在SubShader块声明这些properties，使得我们能够访问Properties块中的这些数据：
   

   		CGPROGRAM
   		#pragma surface surf Lambert
   
   		samplerCUBE _Cubemap;
   		sampler2D _MainTex;
   		sampler2D _NormalMap;
   		float4 _MainTint;
   		float _ReflAmount;

   
   
3. 然后，修改Input结构体。这是基于法线贴图的反射的精华所在。通过使用INTERNAL_DATA声明，我们可以访问经过法线贴图修改后的平面的法线信息：
   

   		struct Input {
   			float2 uv_MainTex;
   			float2 uv_NormalMap;
   			float3 worldRefl;
   			INTERNAL_DATA
   		};

   
   
4. 最后，我们需要修改surf函数，来得到最后的基于法线贴图的反射效果：
   

   		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
   			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
   			
   			float3 normals = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap)).rgb;
   			o.Normal = normals;
   			
   			o.Emission = texCUBE (_Cubemap, WorldReflectionVector (IN, o.Normal)).rgb * _ReflAmount;
   			o.Albedo = c.rgb * _MainTint;
   			o.Alpha = c.a;
   		}

最后，整体代码如下：

Shader "Custom/NormalMappedReflection" {
	Properties {
		_MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
		_NormalMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
		_Cubemap ("Cubemap", CUBE) = ""{}
		_ReflAmount ("Reflection Amount", Range(0,1)) = 0.5
	}
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200
		
		CGPROGRAM
		#pragma surface surf Lambert

		samplerCUBE _Cubemap;
		sampler2D _MainTex;
		sampler2D _NormalMap;
		float4 _MainTint;
		float _ReflAmount;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
			float2 uv_NormalMap;
			float3 worldRefl;
			INTERNAL_DATA
		};

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
			
			float3 normals = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap)).rgb;
			o.Normal = normals;
			
			o.Emission = texCUBE (_Cubemap, WorldReflectionVector (IN, o.Normal)).rgb * _ReflAmount;
			o.Albedo = c.rgb * _MainTint;
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG
	} 
	FallBack "Diffuse"
}

效果如下（一个表明凹凸不平的反射球）：

而下图是不加法线影响的效果（一个光滑的反射球）：

解释

你可能已经注意到这一节的Shader和上一节中的非常类似，而有一个非常重要的不同点（上一节直接使用IN.worldRefl来查找Cubemap）。我们想要使用逐像素的法线贴图来修改我们的反射贴图。为了完成这个目的，我们需要得到在应用法线贴图后、物体的平面法线信息。这意味着，我们需要下列代码：

			float3 normals = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap)).rgb;
			o.Normal = normals;

一旦上述代码在Shader中执行后，物体的平面法线将被修改；因此，我们需要使用它来影响我们的反射。我们可以通过声明 INTERNAL_DATA来访问修改后的法线信息，然后使用 WorldReflectionVector (IN, o.Normal)去查找Cubemap中对应的反射信息。这是Unity提供给我们的另一个内置函数，因此我们不需要再自己写那些冗长的代码，而仅仅需要关注编写Shader中产生关键效果的部分。

更多…

结构体中还有很多内置函数（变量），而在将来的章节中我们的确会接触到它们。下面的表格描述了每一个内置函数的作用以及如何使用它们。你也可以访问官网来得到更多的关于内置函数的信息：

float3 viewDir	包含了视角的观察方向，主要用于计算视差效应（Parallax effects ），边缘光照，等等。
float4 COLOR	包含了经过内插值（interpolated ）的每个顶点的颜色值。
float4 screenPos	包含了用于反射效果的屏幕坐标系的位置信息。例如，在Unity专业版的WetStreet shader中使用了它。
float3 worldPos	包含了世界坐标系中的位置。
float3 worldRefl	包含了世界坐标系中的反射向量，如果Surface Shader没有重写o.Normal。参考Reflect-Diffuse shader。
float3 worldNormal	包含了世界坐标系中的法线向量，如果Surface Shader没有重写o.Normal。
float3 worldRefl; INTERNAL_DATA	包含了世界坐标系的反射向量，如果Surface Shader重写了o.Normal。为了得到基于逐像素的法线贴图的反射向量，请使用WorldReflectionVector (IN,o.Normal) 。参考Reflect-Bumped shader。
float3 worldNormal; INTERNAL_DATA	包含了世界坐标系的发现向量，如果Surface Shader重写了o.Normal。为了得到基于逐像素的法线贴图的法线向量，请使用WorldNormalVector (IN,o.Normal) 。参考Reflect-Bumped shader。