Unity Shader URP：将法线可视化，便于调试

法线可视化是一种非常实用的 Shader 调试手段：把看不见的方向向量转成颜色，就能快速判断模型法线、法线贴图、TBN 矩阵、空间转换和背面显示是否出了问题。

1. 为什么要看见法线？

在 Unity URP 中，很多光照问题看起来像“材质不对”“灯光不对”或者“阴影不对”，但根源常常是法线方向异常。比如模型导入后局部面发黑、法线贴图左右反了、切线空间没有正确传入，或者世界空间法线没有归一化。

法线本质上是一个方向向量，常见范围是 -1 到 1。屏幕颜色范围却是 0 到 1。因此最经典的可视化方式是：

float3 color = normal * 0.5 + 0.5;

这样 -1 会映射成 0，0 会映射成 0.5，1 会映射成 1。方向就变成了 RGB。

把法线的 XYZ 分量映射到 RGB，即可在屏幕上观察方向分布。

2. 最小 URP Shader：显示模型顶点法线

下面这个 Shader 使用 URP 的基础 HLSL include，把对象空间法线转到世界空间，然后输出为颜色。它适合检查模型导入后的法线方向是否正确。

Shader "Debug/URP_NormalVisualizer_World"
{
    SubShader
    {
        Tags
        {
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
            "RenderType" = "Opaque"
        }

        Pass
        {
            Name "Normal Debug"

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float3 normalOS   : NORMAL;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionHCS : SV_POSITION;
                float3 normalWS    : TEXCOORD0;
            };

            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output;
                output.positionHCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
                output.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);
                return output;
            }

            half4 frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                float3 n = normalize(input.normalWS);
                float3 color = n * 0.5 + 0.5;
                return half4(color, 1.0);
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

观察要点：正 X 方向更红，正 Y 方向更绿，正 Z 方向更蓝。颜色突变的位置往往对应硬边、法线断裂、UV seam 或模型本身的法线设置。

3. 世界空间、对象空间、切线空间看什么？

调试法线时，先要知道自己想检查哪一种空间。不同空间看到的问题不同。

对象空间法线

跟模型本地坐标相关。适合检查模型导入、镜像缩放、法线平滑组和硬边。

世界空间法线

跟场景方向相关。适合检查 Transform、非等比缩放、光照方向和最终参与光照的法线。

切线空间法线

跟法线贴图相关。适合检查 Normal Map 是否导入为法线类型、Y 通道是否翻转、TBN 是否正确。

同一个“法线”在不同空间里含义不同。调试前先明确输出的是哪一个空间。

4. 可视化法线贴图

如果要调试 Normal Map，重点不是顶点法线，而是采样贴图后得到的切线空间法线。URP 中可以用 UnpackNormal 解包法线贴图，再输出颜色。

Shader "Debug/URP_NormalMapVisualizer"
{
    Properties
    {
        [Normal] _BumpMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}
        _BumpScale("Normal Scale", Range(0, 2)) = 1
    }

    SubShader
    {
        Tags
        {
            "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
            "RenderType" = "Opaque"
        }

        Pass
        {
            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/UnityInstancing.hlsl"

            TEXTURE2D(_BumpMap);
            SAMPLER(sampler_BumpMap);

            CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
                float4 _BumpMap_ST;
                float _BumpScale;
            CBUFFER_END

            struct Attributes
            {
                float4 positionOS : POSITION;
                float2 uv         : TEXCOORD0;
            };

            struct Varyings
            {
                float4 positionHCS : SV_POSITION;
                float2 uv          : TEXCOORD0;
            };

            Varyings vert(Attributes input)
            {
                Varyings output;
                output.positionHCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
                output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv, _BumpMap);
                return output;
            }

            half4 frag(Varyings input) : SV_Target
            {
                half4 packedNormal = SAMPLE_TEXTURE2D(_BumpMap, sampler_BumpMap, input.uv);
                half3 normalTS = UnpackNormalScale(packedNormal, _BumpScale);
                half3 color = normalTS * 0.5h + 0.5h;
                return half4(color, 1);
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

普通的平坦法线贴图通常偏蓝紫色；红绿变化代表表面在切线空间内向左右或上下倾斜。

5. 如果要看最终世界空间法线贴图

很多时候我们不只想看 Normal Map 本身，还想确认它通过 TBN 转换到世界空间后是否正确。这就需要传入切线、法线和副切线符号，构造切线空间到世界空间的矩阵。

struct Attributes
{
    float4 positionOS : POSITION;
    float3 normalOS   : NORMAL;
    float4 tangentOS  : TANGENT;
    float2 uv         : TEXCOORD0;
};

struct Varyings
{
    float4 positionHCS : SV_POSITION;
    float2 uv          : TEXCOORD0;
    float3 normalWS    : TEXCOORD1;
    float3 tangentWS   : TEXCOORD2;
    float3 bitangentWS : TEXCOORD3;
};

Varyings vert(Attributes input)
{
    Varyings output;
    output.positionHCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz);
    output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv, _BumpMap);

    output.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);
    output.tangentWS = TransformObjectToWorldDir(input.tangentOS.xyz);

    float sign = input.tangentOS.w * GetOddNegativeScale();
    output.bitangentWS = cross(output.normalWS, output.tangentWS) * sign;
    return output;
}

half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
    half3 normalTS = UnpackNormalScale(
        SAMPLE_TEXTURE2D(_BumpMap, sampler_BumpMap, input.uv),
        _BumpScale
    );

    float3x3 tangentToWorld = float3x3(
        normalize(input.tangentWS),
        normalize(input.bitangentWS),
        normalize(input.normalWS)
    );

    float3 normalWS = normalize(mul(normalTS, tangentToWorld));
    return half4(normalWS * 0.5 + 0.5, 1);
}

这个版本可以暴露更隐蔽的问题：比如模型缺少 tangents、镜像 UV 导致副切线方向错误、非等比缩放后没有重新归一化，或者 Normal Map 的绿色通道方向不符合项目约定。

6. Shader Graph 做法

如果项目主要使用 Shader Graph，思路也一样：取 Normal Vector 节点，选择需要的空间，再做 * 0.5 + 0.5，最后接到 Base Color 或 Emission。

Shader Graph 中的核心链路就是 Normal Vector → Multiply 0.5 → Add 0.5 → 输出颜色。

7. 常见现象速查

看到的现象	可能原因	排查方向
某些面突然变成完全不同的颜色	硬边、法线断裂、平滑组设置不同	检查模型导入设置、法线模式、DCC 软件中的法线/平滑组
法线贴图看起来左右反了	切线方向、UV 镜像或贴图通道约定不一致	检查 tangent.w、副切线符号、Normal Map 导入类型
绿色方向上下颠倒	DirectX/OpenGL 法线贴图 Y 通道约定不同	尝试翻转 G 通道，或在导入/生成流程中统一规范
旋转模型后颜色变化不符合预期	输出空间理解错了	对象空间颜色随模型本地坐标，世界空间颜色随场景坐标
颜色发灰、不稳定或有奇怪条纹	法线没有归一化、插值后长度变化、缺少 tangent	在片元阶段使用 normalize，检查 mesh tangent 数据

8. 实战建议

• 先看顶点法线，再看法线贴图，最后看经过 TBN 转换后的世界空间法线。
• 调试 Shader 最好使用 Unlit 或直接输出颜色，避免光照、阴影和后处理干扰判断。
• 输出前总是 normalize，尤其是从顶点传到片元后的法线。
• 项目内统一 Normal Map 的 Y 通道约定，避免不同工具导出的贴图混用。
• 遇到镜像 UV、负缩放、双面材质时，优先怀疑 tangent sign 和正反面法线处理。

一句话总结：法线可视化就是把方向翻译成颜色。只要明确“现在看的是什么空间”，URP 中的许多光照和法线贴图问题都会变得非常直观。