【Unity Shaders】学习笔记——SurfaceShader（九）Cubemap

【Unity Shaders】学习笔记——SurfaceShader（九）Cubemap

1. 如果你想从零开始学习Unity Shader，那么你可以看看本系列的文章入门，你只需要稍微有点编程的概念就可以。

2. 水平有限，难免有谬误之处，望指出。

上一节中讲述了制作Cubemap的方法。这一节讲讲怎么使用它。

Simple Cubemap

先来看一下最简单的Cubemap。

Shader "Custom/SimpleReflection" 
{
    Properties 
    {
        _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Cubemap ("CubeMap", CUBE) = ""{}
        _ReflAmount ("Reflection Amount", Range(0.01, 1)) = 0.5
    }
    
    SubShader 
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200
        
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert

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

        struct Input 
        {
            float2 uv_MainTex;
            float3 worldRefl;
        };

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

其实就是用texCUBE（）函数来对Cubemap采样。

第二个参数应该传入UV坐标，但实际传入的是世界反射向量。这是Unity替我们计算了UV坐标。
Cubemap是由六张贴图构成的，组成了一个类似天空盒的六面体，那这六张贴图是如何映射到小球上的呢，使小球看起来像倒映着周围的环境一样？
将Cubemap想象成一个立方体，包裹着小球，从小球的中心点发射一条射线，穿过小球表面和立方体表面，射线与小球和立方体会各有一个交点，小球上的这个点对应的就是立方体上的这个点的纹理。那要怎样计算各个点对应的UV坐标呢？从小球中心点发射的一条条射线其实就是法线，有个很明显的事实就是，法线朝向法线坐标分量最大的坐标轴指向的立方体的面。也就是坐标（1，1，3）的法线朝向的是Z轴指向的立方体的面。这样就由法线找到了点对应的面。那么UV坐标又该如何计算呢？法线另外两个较小的坐标值和UV坐标是有关系的。举个特殊点的例子，小球最顶点的法线的坐标应该是（0，0，1），对应的应该是立方体的顶面的中点，UV坐标应该是（0.5，0.5）。计算UV坐标的方法是（x/z×0.5+0.5,y/z×0.5+0.5)，将特殊点代进去，答案是正确的。原理有点难说明，相当于把X、Y坐标投影到了对应的面上。乘0.5加0.5是为了让法线坐标的区间从[-1，1]变为[0，1]。
在Unity里，我们不必自己计算，可以直接使用内置变量worldRefl来检索Cubemap。

Normal Cubemap

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"
}

就只是增加了法线贴图而已。
因为法线信息的改变，所以要重新计算传入texCUBE（）函数的世界反射向量。float3 worldRefl;INTERNAL_DATA变量用于原本的法线信息不使用时，比如使用了法线贴图，原来的法线信息就不使用了。要根据新的法线信息计算世界反射向量使用WorldReflectionVector（）函数。

动态立方图系统

有时候游戏里的物体从一个环境走到另一个环境，需要更换Cubemap，这样显示的反射效果才真实。
有两种方法更换Cubemap，一种是实时更换Cubemap，这样的效果最真实，但是要牺牲性能；第二种是当物体走到另一个环境的时候更换Cubemap，这就是我要讲的方法。
方法很简单，就是在C#里用SetTexture的方法动态更换Cubemap。

[ExecuteInEditMode]
public class SwapCubemaps : MonoBehaviour 
{
    public Cubemap cubeA;
    public Cubemap cubeB;
    
    public Transform posA;
    public Transform posB;
    
    private Material curMat;
    private Cubemap curCube;
    

    // Use this for initialization
    void Start () {
    
    }
    
    // Update is called once per frame
    void Update () {
        curMat = renderer.sharedMaterial;
        if(curMat)
        {
            curCube = CheckProbeDistance();
            curMat.SetTexture("_Cubemap", curCube);
            
        }
    }
    
    private Cubemap CheckProbeDistance() {
        float distA = Vector3.Distance(transform.position, posA.position);
        float distB = Vector3.Distance(transform.position, posB.position);
        
        if(distA < distB)
        {
            return cubeA;
        }
        else if(distB < distA)
        {
            return cubeB;
        }
        else
        {
            return cubeA;
        }
        
    }
        
    
    void OnDrawGizmos() {
        Gizmos.color = Color.green;
        
        if(posA)
        {
            Gizmos.DrawWireSphere(posA.position, 0.5f);
        }
        
        if(posB)
        {
            Gizmos.DrawWireSphere(posB.position, 0.5f);
        }
    }
}

1. [ExecuteInEditMode]是为了让脚本在编辑器状态的时候也能执行，这样就不必点击Play调试，比较方便。

2. OnDrawGizmos()是在Scene里画一些可视化的东西方便调试。

3. CheckProbeDistance()里用Distance判断物体和A点、B点的距离，根据距离决定返回哪种Cubemap。

4. 在Update（）设置材质的Cubemap。

Cubemap效果

 

Cubemap

 

我有加个金属的纹理。效果是这样的。

 

NormalCubemap

 

这是加了法线贴图的。