凹凸映射
程序员文章站
2022-07-04 16:18:57
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本文借鉴《Unity Shader入门精要》,算是对自己学习的总结,也希望分享下所学知识~~
**凹凸映射:**使用一张纹理来修改模型表面的法线,以便为模型提供更多的细节。
实现方法:
1.高度纹理:模拟表面位移,得到一个修改后的法线值,成为高度映射。
通过黑度值,越白越高。
(基本不用。因为计算复杂,需要通过灰度值计算表面法线,消耗更多的性能。)
2.法线纹理:
法线方向的分量范围在 [-1, 1],像素的分量范围为 [0, 1]。
需要做一个映射:
法线值 = 像素值 * 2 + 1
在实际中,都使用模型顶点的 切线空间 来存储法线。
对于每个顶点,都有属于自己的切线空间,这个切线空间就是该顶点本身。
z 轴就是法线方向,x 轴是顶点的切线方向,y 轴则是副切线(通过叉乘得到)。
大部分的法线都是和模型本身一致的,也是是(0,0,1),经过映射后变成(0.5,0.5,1)。
也就是切线空间下的法线纹理看起来为什么是浅蓝色的原因。
1.在切线空间计算的代码如下:
Shader "NormalMapTangentSpace"
{
Properties
{
_Color ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1)
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
_BumpMap ("Normal Map", 2D) = "bump"{}//bump 是Unity内置的法线纹理 当没有提供任何法线信息时 bump就对应了模型自带的法线信息
_BumpScale ("Bump Scale", Float) = 1.0//控制凹凸程度
_Specular ("Specular", Color) = (1,1,1,1)
_Gloss("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader
{
Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
float4 uv : TEXCOORD0;
float3 lightDir : TEXCOORD1;
float3 viewDir : TEXCOORD2;
};
fixed4 _Color;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _BumpMap;
float4 _BumpMap_ST;
float _BumpScale;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
v2f vert (appdata_tan v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//使用了两张纹理,通常情况下会使用同一组纹理坐标
o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;
//叉乘得到了切线空间的 bitnormal 向量
//float3 bitnormal = cross( normalize(v.normal), normalize(v.tangent.xyz) );
//float3x3类型有接受三个三维行向量的构造函数,以利用三个行向量获得一个3x3矩阵。
//得到从切线空间到世界空间的变换矩阵
//float3x3 rotation = float3x3( v.trangent.xyz, binormal, v.normal );
TANGENT_SPACE_ROTATION;//内置宏 等于上述代码
//在顶点着色器中计算切线空间下的光照和视角方向
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 );
fixed4 packedNormal = tex2D( _BumpMap, i.uv.zw );//对法线纹理进行采样
fixed3 tangentNormal = UnpackNormal( packedNormal );//内置函数:纹理类型标识Normal map后,得到正确的法线
tangentNormal.xy *= _BumpScale;
tangentNormal.z = sqrt( 1.0 - saturate( dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy) ) );//单位向量已知xy求z
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 albedo = tex2D( _MainTex, i.uv ).rgb * _Color.rgb;
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(tangentNormal, tangentLightDir));
fixed3 halfDir = normalize( tangentLightDir + tangentViewDir );
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow( max(0, dot(tangentNormal, halfDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient+diffuse+specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
}
2.在世界空间计算的代码如下:
Shader "zhangjx/_10012NormalMapWorldSpace"
{
Properties
{
_Color ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1)
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
_BumpMap ("Normal Map", 2D) = "bump"{}
_BumpScale ("Bump Scale", Float) = 1.0
_Specular ("Specular", Color) = (1,1,1,1)
_Gloss("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader
{
Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
float4 uv : TEXCOORD0;
float4 TtiW0 : TEXCOORD1;
float4 TtiW1 : TEXCOORD2;
float4 TtiW2 : TEXCOORD3;
};
fixed4 _Color;
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _BumpMap;
float4 _BumpMap_ST;
float _BumpScale;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
v2f vert (appdata_tan v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv.xy = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _BumpMap);
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;
//充分利用存储空间,使用w分量存储世界空间下顶点坐标
//在顶点着色器中计算从切线空间到世界空间的变换矩阵,并把它传递给片元着色器
o.TtiW0 = float4(worldTangent.x, worldBinormal.x, worldNormal.x, worldPos.x);//TBN 切线空间
o.TtiW1 = float4(worldTangent.y, worldBinormal.y, worldNormal.y, worldPos.y);//TBN 切线空间
o.TtiW2 = float4(worldTangent.z, worldBinormal.z, worldNormal.z, worldPos.z);//TBN 切线空间
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
float3 worldPos = float3(i.TtiW0.w, i.TtiW1.w, i.TtiW2.w);
fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
fixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
fixed3 bump = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, i.uv.zw));
bump.xy *= _BumpScale;
bump.z = sqrt( 1.0 - saturate( dot(bump.xy, bump.xy) ) );//单位向量已知xy求z
fixed3 worldNormal = normalize( fixed3(dot(i.TtiW0.xyz, bump), dot(i.TtiW1.xyz, bump), dot(i.TtiW2.xyz, bump)) );
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 albedo = tex2D( _MainTex, i.uv ).rgb * _Color.rgb;
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
fixed3 halfDir = normalize( worldLightDir + worldViewDir );
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow( max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
}
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