Unity Shader 学习笔记(8) 纹理映射、凹凸映射

xiaoxiao2021-02-28  7

Unity Shader 学习笔记(8) 纹理映射、凹凸映射

参考书籍:《Unity Shader 入门精要》 3D数学 学习笔记(9) 凹凸映射(bump mapping)和切线空间(tangent space)

逐纹素(texel,区别与像素)控制模型的颜色。

单张纹理,凹凸映射的逐顶点和逐像素对比:


纹理映射坐标(UV坐标)

定义了该定点在纹理中对应的2D坐标。通常用一个二维变量(u, v)表示,u为横坐标,v为纵坐标,坐标原点在左下角。


单张纹理

使用Blinn光照模型。 面板属性:

Properties { _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {} // 纹理图片,默认为全白 _Specular ("Specular",Color) = (1,1,1,1) _Gloss ("Gloss",Range(8.0,256)) = 20 }

CG代码中对应添加的变量:_MainTex_ST可以得到该纹理的缩放和平移值,对应面板的Tiling(平铺)和Offset(偏移)。

sampler2D _MainTex; float4 _MainTex_ST; // S:scale, T:translation, _MainTex_ST.xy:缩放值, _MainTex_ST.zw:偏移值 struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; float4 texcoord : TEXCOORD0; // 第一组纹理 }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; float3 worldNormal : TEXCOORD0; float3 worldPos : TEXCOORD1; float2 uv : TEXCOORD2; // 存储纹理坐标 }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz; o.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw; // 变换纹理,先缩放(乘xy),后偏移(加zw)。下同,下面是内置函数。 // o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_MainTex); return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET { fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // CG的tex2D函数对纹理进行采样,乘于颜色,作为散射值。 fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb; // 散射值和环境光相乘得到环境光部分 fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo; // 漫反射公式(Lambert法则) fixed3 diffuse = _LightColor0.rbg * albedo * max(0,dot(worldNormal,worldLightDir)); // 下面是高光反射 fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir); fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss); return fixed4(ambient + diffuse + specular,1.0); }

UnityCG.cginc中 TRANSFORM_TEX (纹理转换)定义如下:

// Transforms 2D UV by scale/bias property #define TRANSFORM_TEX(tex,name) (tex.xy * name##_ST.xy + name##_ST.zw)

凹凸映射

两种方法:

切线空间下计算光照:光照方向、视角方向需要变换到切线空间计算。世界空间下计算光照:把采样得到的法线方向变换到世界空间下,再和世界空间下的光照和视角方向计算。

效率上:第一种优于第二种,第一种在顶点着色器就完成对光照方向和视角的变换,第二种要对法线采样,必须在片元着色器中实现,即进行一次矩阵操作。

通用性:第二种优于第一种,如使用Cubemap进行环境映射时,需要使用世界空间下下的反射方向对Cubemap采样时,那就需要世界空间下的法线方向。

切线空间下计算

计算光照、视角方向从模型到切线空间的矩阵:因为这个变换只包含平移和旋转(正交矩阵),所以变换的逆矩阵就是转置矩阵,即将切线(x)、副切线(y)、法线(z)按行排列。需要注意对于非统一缩放物体,这里的法线计算就是错误的,详细可见这里。

Properties { ... _BumpMap ("Bump Map", 2D) = "bump" {} // bump:内置法线纹理,对应模型自带的法线信息。 _BumpScale ("Bump Scale",Float) = 0.5 // 凹凸程度:0为没影响 ... } CGPROGRAM ··· sampler2D _BumpMap; float4 _BumpMap_ST; // 同上面纹理的ST,即缩放和偏移值 float _BumpScale; ··· struct a2v { ... float4 tangent : TANGENT; // 顶点的切线方向,tangent.w用来决定副切线的方向性。 }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; float4 uv : TEXCOORD0; float3 lightDir : TEXCOORD1; float3 viewDir : TEXCOORD2; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 为了减少插值寄存器数目,可以把纹理映射坐标和凹凸映射坐标放一起。 o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw; // xy存主纹理的纹理坐标 o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw; // zw存凹凸感的纹理坐标 // 法线叉乘切线得出副切线,tangent.w决定方向。rotation为按行排列的 模型到切线 的变换矩阵。 //float3 binormal = cross(normalize(v.normal),normalize(v.tangent.xyz))*v.tangent.w; //float3x3 rotation = float3x3(v.tangent.xyz,binormal,v.normal); TANGENT_SPACE_ROTATION; // 完全等于上面两句。在UnityCG.cginc内。 o.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex)).xyz; // 获取模型空间下的光照和视角,转换到切线空间 o.viewDir = mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex)).xyz; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_TARGET { fixed3 tangentLightDir = normalize(i.lightDir); fixed3 tangetViewDir = normalize(i.viewDir); fixed4 packedNormal = tex2D(_BumpMap,i.uv.zw); // 获取顶点对应法线纹理的像素值 fixed3 tangentNormal; // 如果法线纹理类型没有设置成Normal map,要从像素映射回法线。 // 因为法线都是单位矢量。所以 z = 根号下(1 - x*x + y*y )。 //tangentNormal.xy = (packedNormal.xy * 2 - 1) * _BumpScale; //tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy))); // 如果设置了Normal map类型,Unity会根据平台使用不同的压缩方法,_BumpMap.rbg值不是对应的切线空间的xyz值了,要用宏映射回法线。 tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal); tangentNormal.xy *= _BumpScale; tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy))); ... } ENDCG

UnityCG.cginc中TANGENT_SPACE_ROTATION 定义如下:

// Declares 3x3 matrix 'rotation', filled with tangent space basis #define TANGENT_SPACE_ROTATION \ float3 binormal = cross( normalize(v.normal), normalize(v.tangent.xyz) ) * v.tangent.w; \ float3x3 rotation = float3x3( v.tangent.xyz, binormal, v.normal )

UnityCG.cginc中UnpackNormal() 定义如下:

inline fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal) { #if defined(UNITY_NO_DXT5nm) return packednormal.xyz * 2 - 1; #else return UnpackNormalDXT5nm(packednormal); #endif }

世界空间下计算

切线空间转换到世界空间矩阵:切线(x)、副切线(y)、法线(z)按列排列。

struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; float4 uv : TEXCOORD0; float4 TtoW0 : TEXCOORD1; // 切线到世界空间变换矩阵3x3。w分量作为世界空间顶点位置,因为计算相同,所以放一起3x4。 float4 TtoW1 : TEXCOORD2; float4 TtoW2 : TEXCOORD3; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw; // xy存主纹理的纹理坐标 o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw; // zw存凹凸感的纹理坐标 // 计算世界空间下的顶点法线、切线、副切线 float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz; fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldNormal(v.tangent.xyz); fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal,worldTangent) * v.tangent.w; // 变换矩阵,转置即可,每一行按照列摆放 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); // 世界坐标存在w值 ... fixed3 bump = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,i.uv.zw)); bump.xy *= _BumpScale; bump.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(bump.xy,bump.xy))); // 从切线转换到世界空间,即转换矩阵乘于法线纹理向量 bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz,bump),dot(i.TtoW1.xyz,bump),dot(i.TtoW2.xyz,bump))); ... }
转载请注明原文地址: https://www.6miu.com/read-1600121.html

最新回复(0)