ShaderGraph节点解析(十三):高度转法线节点（Normal From Height Node）详解

小李也疯狂

已于 2025-06-23 10:32:29 修改

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分类专栏： # ShaderGraph节点详解-艺术篇文章标签： Unity ShaderGraph

于 2025-06-23 10:05:11 首次发布

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一、节点功能概述

高度转法线节点（Normal From Height Node）是 Unity Shader Graph 中用于从高度值生成法线向量的核心工具。它通过计算高度场的梯度信息，将一维高度值转换为三维法线向量，广泛应用于程序性材质生成、地形细节增强和动态变形效果。该节点的核心优势在于：

一维到三维转换：仅需高度值即可生成法线，减少纹理采样开销
双空间输出：支持切线空间（Tangent）和世界空间（World）法线输出
物理精确计算：基于表面梯度的数学推导，确保法线方向的物理正确性

二、端口与参数详解

2.1 端口配置

端口名称	方向	数据类型	描述
In	输入	Float	高度值（通常来自高度图或噪声）
Strength	输入	Float	法线强度（建议范围 0-0.1，真实世界单位）
Out	输出	Vector 3	生成的法线向量

2.2 控制参数

参数名称	类型	选项	描述
Output Space	下拉菜单	Tangent/World	设置法线输出的坐标空间：切线空间适用于纹理叠加，世界空间适用于全局光照

三、数学原理与代码解析

3.1 核心算法原理

高度转法线的本质是通过高度场的梯度计算表面法向量，数学步骤如下：

梯度计算：使用ddx和ddy获取高度场在屏幕空间的偏导数
表面几何推导：通过叉乘和点积计算表面切向量和法向量
空间转换：根据 Output Space 参数转换法线到目标坐标系

3.2 切线空间模式代码解析

hlsl

void Unity_NormalFromHeight_Tangent_float(float In, float Strength, float3 Position, float3x3 TangentMatrix, out float3 Out)
{
    // 计算世界空间位置的导数（用于表面几何计算）
    float3 worldDerivativeX = ddx(Position);
    float3 worldDerivativeY = ddy(Position);

    // 计算叉积向量（辅助表面梯度计算）
    float3 crossX = cross(TangentMatrix[2].xyz, worldDerivativeX);
    float3 crossY = cross(worldDerivativeY, TangentMatrix[2].xyz);
    float d = dot(worldDerivativeX, crossY);
    float sgn = d < 0.0 ? (-1.0f) : 1.0f;
    float surface = sgn / max(0.000000000000001192093f, abs(d));

    // 计算高度场的梯度（ddx/ddy为屏幕空间导数）
    float dHdx = ddx(In);
    float dHdy = ddy(In);
    float3 surfGrad = surface * (dHdx*crossY + dHdy*crossX);
    
    // 生成切线空间法线并归一化
    Out = normalize(TangentMatrix[2].xyz - (Strength * surfGrad));
    // 转换到切线空间（仅Tangent模式）
    Out = TransformWorldToTangent(Out, TangentMatrix);
}

关键步骤解析：

ddx/ddy(Position)：获取世界空间位置的屏幕梯度，用于表面几何计算
TangentMatrix：切线空间转换矩阵，用于法线空间变换
surfGrad：表面梯度向量，由高度场导数和几何参数计算得到

3.3 世界空间模式代码解析

hlsl

void Unity_NormalFromHeight_World_float(float In, float Strength, float3 Position, float3x3 TangentMatrix, out float3 Out)
{
    // 与Tangent模式前半部分相同（世界空间几何计算）
    float3 worldDerivativeX = ddx(Position);
    float3 worldDerivativeY = ddy(Position);

    float3 crossX = cross(TangentMatrix[2].xyz, worldDerivativeX);
    float3 crossY = cross(worldDerivativeY, TangentMatrix[2].xyz);
    float d = dot(worldDerivativeX, crossY);
    float sgn = d < 0.0 ? (-1.0f) : 1.0f;
    float surface = sgn / max(0.000000000000001192093f, abs(d));

    float dHdx = ddx(In);
    float dHdy = ddy(In);
    float3 surfGrad = surface * (dHdx*crossY + dHdy*crossX);
    
    // 直接输出世界空间法线（无需转换）
    Out = normalize(TangentMatrix[2].xyz - (Strength * surfGrad));
}

空间转换差异：

切线空间模式通过TransformWorldToTangent将法线转换到切线空间
世界空间模式直接输出世界空间法线，适用于全局光照计算

四、应用场景与实战案例

4.1 地形细节增强

场景：程序化地形法线生成

需求：从高度图生成法线，增强地形表面细节

实现：

hlsl

// 采样高度图  
float height = tex2D(_HeightMap, uv).r;
// 生成切线空间法线  
float3 normal = Unity_NormalFromHeight_Tangent_float(height, _NormalStrength, positionWS, tangentToWorld, out float3 outNormal);
// 应用到标准着色器  
O.Normal = normal;

优势：无需额外法线贴图，减少纹理内存占用

4.2 角色动态皱纹

场景：面部表情皱纹实时生成

需求：根据骨骼变形动态生成皱纹法线
步骤：
- 骨骼动画驱动顶点高度变化
- 高度值输入节点生成动态法线
- 混合到基础法线贴图

代码示例：

csharp

// C#脚本传递动态高度  
material.SetFloat("_DynamicHeight", facialExpressionIntensity);

4.3 流体表面法线

场景：水面波浪效果

实现：
- 使用噪声函数生成高度场
- 高度转法线节点生成波浪法线
- 结合反射探针实现真实水面效果

关键逻辑：

hlsl

// 时间驱动噪声高度场  
float noiseHeight = snoise(float2(_Time.y * 0.5, uv * 2)) * 0.1;
// 生成世界空间法线（适应全局光照）  
float3 waterNormal = Unity_NormalFromHeight_World_float(noiseHeight, 0.5, positionWS, tangentToWorld, out float3 normal);

五、使用技巧与优化策略

5.1 参数调整指南

场景需求	Strength 建议值	Output Space	效果描述
地形细节	0.01-0.05	Tangent	自然地表凹凸
金属划痕	0.05-0.1	Tangent	锐利表面细节
全局水面	0.05-0.15	World	反射与光照正确匹配

5.2 性能优化

降低采样频率：
- 对静态高度场，预烘焙法线贴图替代实时计算

合并运算：

hlsl

// 优化前（多次调用）
float3 normal1 = NormalFromHeight(height1, strength1);
float3 normal2 = NormalFromHeight(height2, strength2);

// 优化后（一次计算）
float3 combinedNormal = CustomNormalFromHeight(height1, height2, strength1, strength2);