百人计划2.5 BumpMapping

BumpMapping

BumpMapping介绍

凹凸映射是为了描述物体的一些细节。从三个方面讨论，宏观尺度覆盖很多像素，中观尺度覆盖几个像素，微观尺度覆盖小于一个尺度。
宏观尺度是由顶点，三角形等一些图元来表示的。
微观尺度工作在着色模型当中，通常在fragment shader中实现。并且使用了纹理贴图作为参数，着色模型描述了物体表面微观几何形状的相互作用。
而中观尺度结余两者之间，不是一个三角形能表达的问题，又大与一个fragment所能表示的范围。比如说衣服的褶皱，人脸的皱纹等。
凹凸映射是描述中观尺度常用的方法之一，他的基本思想是将模型的一些细节存储到纹理当中。在着色过程中，我们用稍微干扰的表面代替真实的表面。
从原理上讲，凹凸映射技术是对物体表面的贴图进行变化，然后再进行变化的一种技术。例如给法线添加噪声，那么这种就是法线贴图，如果在保存扰动值得纹理图中进行查找，那么他就是视差贴图或者浮雕贴图。
他不需要增加模型的复杂度就能提供不错的效果。
**凹凸映射的分类：凹凸映射的种类大概有三种：法线映射，视差映射，浮雕映射。**从左到右效果依次增加，所使用的消耗也依次增加。

NormalMapping

NormalMapping是存有一张物体局部表面法线信息的一张贴图。在计算光照的时候，程序会先读取发现图并获取其中的法线信息。结合光线信息对光照进行计算，使用法线贴图计算光照，可以让物体表面实现出更加丰富的细节。
法线贴图一般由高模映射到对应的底模上来生成，但像金属，木头之类细节丰富的物体，可以借助程序化的软件进行生成。

法线映射的实现：

法线的存储，一般会放到模型的切线空间中。切线空间是以物体表面的切线， 副切线和法线组成的几何图形。
当我们计算光照时，需要将光照运算的向量放到统一坐标系下。读取切线空间法线，需要世界坐标转切线空间的转换矩阵，或者他的逆矩阵。再将向量统一到一坐标系后再进行光照操作。
TBN的逆矩阵，由于是旋转矩阵，计算TBN只需要进行转置就可以了

转换到一个空间后就可以进行光照计算了。
为什么要转换到切线空间，而不是将法线映射转换到世界空间进行变换可以详细看入门简要。
总结而言就是切线空间计算量低，并且适用场景广，便于压缩。
对于相对空间而言只需要两个通道就可以存储法线贴图，而在绝对空间中需要三个通道进行存储。
Unity中法线贴图的压缩格式：
在非移动平台，unity会将法线贴图转换成DXRT5nm格式，这个格式只有两个通道。而在移动平台中，unity使用的是传统的RGB格式。

法线和切线的值是[-1,1]，因为有两个方向。但是贴图的颜色值只能存储到[0,1]，所以编码时是有一个color = 0.5*normal + 0.5的操作的。解码时需要逆过来求normal或者tangent的值。

ParallaxMapping

视差映射主要是为了实现模型表面一个遮挡关系细节的映射，他可以与法线贴图一起使用。
实现视差映射需要引入一张新的高度图，高度图是对物体表面顶点位移。但是使用高度图对模型的表面的三角形和顶点有非常高的要求，并且进行了大量的计算。
视差贴图的原理和实现可以通过上一篇了解。
更加具体的细节可以通过OPENGL中进行了解。再复习一下，是将实际点A根据高度图采样的高度，对视角V进行缩放。

ReliefMapping

浮雕映射是对视差贴图技术的进一步改进，他需要的不单是一张高度图，更需要一张浮雕图。
浮雕映射一般采用射线步进，和二分查找来决定uv偏移量。他的射线步进和视差映射所使用的是同一种技术，都是将虚拟的采样点进行分层，找到合适的一层进行采样。但视差映射所使用的技术是遍历式的，在分了很多层时需要相当多的采样。而视差贴图所使用的是二分查找，二分查找所需要的计算和时间明显小于遍历式。
浮雕映射的做法是先进行视差步进，找到满足条件的层级n。再将n与其上一层进行二分查找，找到与真实的观察点更接近的值。