Unity shader 学习记录（基础纹理篇2法线纹理）

2、凹凸映射。凹凸映射分为高度纹理和法线纹理，因为高度映射在实时计算不能直接得到表面法线，而是需要由像素的灰度值计算，需要消耗更多的性能，所以一般游戏中用的是法线纹理。

  法线纹理按照我的理解是通过一个纹理存储模型的法线信息，因此我们写shader的时候思路就是提取该纹理的信息，得到法线，然后还是按照上面的主纹理计算方式来进行计算。

法线计算又分为两种：切线空间下的计算、世界空间下的计算。而切线空间下的计算更节省性能，适用于非cube2D格式下的所有，所以下面重点说切线空间下的计算。

切线空间下的：

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 7/Normal Map In Tangent Space"｛
	Properties｛
		_Color ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex("MainTex", 2D) = "white" ｛｝
		//法线纹理，使用"bump"作为默认值。
		//"bump"是Unity内置的法线纹理，当没有提供任何法线纹理时，"bump"就对应了模型自带的法线信息。
		_BumpMap("Normal Map", 2D) = "bump" ｛｝
		//_BumpScale是用于控制凹凸程度，0意味着该法线纹理不会对光照产生任何影响
		_BumpScale("Bump Scale", Float) = 1.0
		_Specular("Specular", Color) = (1,1,1,1)
		_Gloss("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
	｝
	SubShader｛
		Pass｛
			Tags ｛"LightMode" = "ForwardBase"｝
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			#include "Lighting.cginc"
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			sampler2D _BumpMap;
			float4 _BumpMap_ST;
			float _BumpScale;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;
			//顶点着色器输入结构体
			struct a2v｛
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 tangent : TANGENT;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			｝;
			//顶点着色器的输出结构
			struct v2f｛
				float4 pos : SV_POSITION;
				float4 uv : TEXCOORD0;
				float3 lightDir : TEXCOORD1;
				float3 viewDir : TEXCOORD2;
			｝;
			//由于我们使用了两张纹理，因此需要存储两个纹理坐标。为此，我们把v2f中的uv变量
			//的类型定义为float4，其中xy分量存储了_MainTex的纹理坐标，而zw分量存储了_BumpMap
			//的纹理坐标。然后，我们把模型空间下的切线方向、副切线方向和法线方向按行排列来得到
			//从模型空间到切线空间的变换矩阵 rotation。需要注意的是，在计算副切线时我们使用
			//v.tangent.w 和叉积结果进行相乘，这是因为和切线与法线方向都垂直的方向有两个，而w
			//决定了我们选择其中哪一个方向。
			v2f vert(a2v v)｛
				v2f o;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
				o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;
				//float3 binormal = cross(normalize(v.normal),normalize(v.tangent.xyz)) * v.tangent.w;
				//float3×3 rotation = float3×3(v.tangent.xyz, binormal,v.normal);
				//以上代码可以用 TANGENT_SPACE_ROTATION 代替
				TANGENT_SPACE_ROTATION;
				//我们使用内置函数ObjSpaceLightDir 和 ObjSpaceViewDir 来得到模型空间下
				//的光照和视角方向，再利用变换矩阵rotation把它们从模型空间变换到切线空间中
				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);
				//先利用tex2D对法线纹理_BumpMap 进行采样
				fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap, i.uv.zw);
				fixed3 tangentNormal;
				// If the texture is not marked as "Normal map"
				//tangentNormal.xy = (packedNormal.xy * 2 - 1) * _BumpScale;
				//tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));
				//Or mark the texture as "Normal map", and use the built-in function
				tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);
				//利用_BumpScale 控制凹凸程度
				tangentNormal.xy *= _BumpScale;
				//由于法线都是单位矢量，因此tangentNormal.z 可以由tangentNormal.xy计算而得
				tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));
				fixed3 albedo = tex2D(_MainTex,i.uv).rgb * _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.rgb * pow(max(0, dot(tangentNormal,halfDir)),_Gloss);
				return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
			｝
			ENDCG
		｝
	｝
	Fallback "Specular"
｝

世界空间下的法线纹理：

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 7/Normal Map In World Space"｛
	Properties｛
		_Color ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex("MainTex", 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｛
		Pass｛
			Tags ｛"LightMode" = "ForwardBase"｝
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			#include "Lighting.cginc"
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			sampler2D _BumpMap;
			float4 _BumpMap_ST;
			float _BumpScale;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;
			//顶点着色器输入结构体
			struct a2v｛
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 tangent : TANGENT;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			｝;
			//顶点着色器的输出结构
			struct v2f｛
				float4 pos : SV_POSITION;
				float4 uv : TEXCOORD0;
				float4 TtoW0 : TEXCOORD1;
				float4 TtoW1 : TEXCOORD2;
				float4 TtoW2 : TEXCOORD3;
			｝;
			v2f vert(a2v v)｛
				v2f o;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
				o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;
				//我们计算了世界空间下的顶点切线、副切线和法线的矢量表示，
				//并把它们按列摆放得到从切线空间到世界空间的变换矩阵
				float3 worldPos = mul(_Object2World,v.vertex).xyz;
				fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz); 
				fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal,worldTangent) * v.tangent.w;
				//然后把上述矩阵的每一行分别存储在TtoW0、TtoW1、TtoW2中，并把世界空间下
				//的顶点位置的xyz分量分别存储再了这些变量的w分量中，以便充分利用插值寄存器的存储空间。
				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｛
				float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w,i.TtoW1.w,i.TtoW2.w);
				fixed3 lightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
				fixed3 viewDir = 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)));
				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 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(bump, lightDir));
				fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(bump,halfDir)),_Gloss);
				return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
			｝
			ENDCG
		｝
	｝
	Fallback "Specular"
｝

法线纹理图片要选择normap map才可以适用unity的内置函数UnpackNoemal得到正确的法线信息。