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【风宇冲】Unity3D教程宝典之Shader篇:第二十讲法线贴图

2013-04-19 09:35 513 查看
【风宇冲】Unity3D教程宝典之Shader篇:第二十讲法线贴图


(2012-12-26 10:42:55)


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Unity3d之Shader篇


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第二十讲 法线贴图













上一讲我们讲了凹凸贴图以及生成法线贴图。
这一讲来谈谈怎么使用法线贴图。
一:法线贴图的原理
二:法线贴图的实现
三:法线贴图的使用
四:法线贴图的格式

一:法线贴图的原理
光照效果很大程度上是由垂直于物体表面的法线决定的,因为法线影响反射光的方向。均匀垂直的法线是镜面贴图。但是有时候我们会给一个平面使用砖墙贴图,砖墙应该是凹凸不平的,而如果让砖墙使用该平面的法线的话,画面就会很假,神马?一面墙像镜子一样反光=。=

而如果按真实砖墙去做模型的话,即做高精度模型,一方面制作麻烦,另一方面运行时对性能损耗大。
法线贴图就是来解决这个问题的。法线贴图就是把法线信息储存在一张图里。使用法线贴图时,通常顶点数和三角形面数只有高精度模型的十分之一不到。

二:法线贴图的实现
将材质贴图对应的法线 绘制在一张贴图上。将贴图对应点的单位法线向量信息float3(x,y,z) 储存在图对应的颜色里color(r,g,b)里,其中x,y,z分别对应r,g,b。单位法线向量 float3(x,y,z),x,y,z的取值范围是 [-1,1]。在法线贴图中被压缩在颜色的范围[0,1]中,所以需要转换:
颜色 = 0.5 * 法线 + 0.5;
线 = 2 * (颜色 - 0.5);

三:法线贴图的使用
主要步骤
(1)对法线贴图进行采样,取得压缩在颜色空间[0,1]里的法线
float4 packedNormal = tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex);
(2)将压缩在[0,1]里的法线转换至3D空间[-1,1] (因为是单位向量)
float3 expand(float3 v) { return (v -
0.5) * 2; }
之后使用该法线即可,方法与16讲里一样。

具体实现详见本文末的脚本。

四:法线贴图的格式
法线贴图主要分为2个类别:
(1)RGB法线贴图,即上面使用的。通常呈蓝色。(后缀可以是常见的.png .jpg等)
(2)压缩格式的法线贴图。例如DXT5nm(后缀名为.dds)

dds是DirectDraw Surface的缩写,实际上,它是DirectX纹理压缩(DirectX Texture Compression,简称DXTC)的产物。DXTC减少了纹理内存消耗的50%甚至更多,有3种DXTC的格式可供使用,它们分别是DXT1,DXT3和DXT5。


有关DDS的延伸阅读

压缩法线贴图的原理
法线(x,y,z)是一条单位向量。故X2 + Y2 +Z2
=1。所以知道了x,y,z里的任意两个,剩下的那个就可以通过计算得出。所以我们就可以使用2个通道的图储存x,y,z里的两个值,将xyz里剩余的值省略,通过计算得出。

压缩法线贴图的好处
压缩后的法线贴图,大小只有原来的1/4左右,故可以使用更大或者更多的贴图来提升画面品质。

Unity3d的法线贴图
Unity3d使用的压缩法线贴图是DXT5nm格式的。有A和G两个通道。对于法线(x,y,z) A对应x,G对应y。
对压缩法线贴图的采样依然是如下函数:

float4 packedNormal = tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex);

packedNormal.w对应A通道,即法线的x。

packedNormal.y对应G通道,即法线的y。

范围依然是[0,1], 依然需要转换至[-1,1]。
对DXT5nm法线贴图进行转换的函数如下,其中v传入packedNormal

float3 expand(float3 v)
{
fixed3 normal;
normal.xy = v.wy * 2 - 1;
normal.z = sqrt(1 - normal.x*normal.x - normal.y * normal.y);
return normal;
}

Unity3d的标准法线解压函数是fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal)。
打开UnityCG.cginc找到对应函数:

inline fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal)

{
#if defined(SHADER_API_GLES) && defined(SHADER_API_MOBILE)
return packednormal.xyz * 2 - 1;
#else
fixed3 normal;
normal.xy = packednormal.wy * 2 - 1;
normal.z = sqrt(1 - normal.x*normal.x - normal.y * normal.y);
return normal;
#endif
}

该函数定义的如果是移动平台或者OpenGL ES,那么断定使用的是RGB法线贴图,否则则为DXT5nm贴图。
但实际上移动平台也可以用压缩格式的法线贴图,而Windows也能使用RGB法线贴图。故不建议使用UnpackNormal函数,建议根据法线贴图的具体格式来使用自己写的对应函数。

================================================================================================
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脚本:

// Shader: 带法线贴图的Surface Shader
// Author: 风宇冲
Shader "Custom/3_NormalMap" {
Properties
{
_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
_NormalMap ("NormalMap", 2D) = "white" {}
}

Subshader
{
CGPROGRAM
#pragma surface surf BlinnPhong
struct Input
{
float2 uv_MainTex;
};

//法线范围转换:单位法线 float3(x,y,z),x,y,z的取值范围是 [-1,1]。在法线贴图中被压缩在颜色的范围[0,1]中,所以需要转换

//(1)RGB法线贴图
float3 expand(float3 v) { return (v - 0.5) * 2; }
//(2)DXT5nm法线贴图
float3 expand2(float4 v)
{
fixed3 normal;
normal.xy = v.wy * 2 - 1;
normal.z = sqrt(1 - normal.x*normal.x - normal.y * normal.y);
return normal;
}

sampler2D _MainTex;
sampler2D _NormalMap;

void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o)
{
half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);
o.Albedo = c.rgb;
o.Alpha = c.a;

//对法线贴图进行采样,取得压缩在颜色空间里的法线([0,1])
float4 packedNormal = tex2D(_NormalMap, IN.uv_MainTex);

//要将颜色空间里的法线[0,1],转换至真正3D空间里的法线范围[-1,1]
//注意:范围基本都是从[0,1]转换至[-1,1].主要是图的通道与法线xyz的对应关系要根据法线贴图格式而定
//UnpackNormal, UnityCG.cginc里的函数
//o.Normal = UnpackNormal(packedNormal);

//expand,标准法线解压函数
o.Normal = expand(packedNormal.xyz);

}
ENDCG
}
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