Unity Shader-法线贴图（Normal Map）与视差贴图（Parallax Map）

简介

法线贴图技术至今一直是游戏增强画面效果的利器之一。随着移动设备的性能越来越好，曾经的在PC平台的各种高级技术在移动平台也都开始大规模使用了，法线贴图甚至是视差贴图已经开始在移动平台的游戏上使用了。之前的一篇文章简单探究了一下法线贴图的原理以及在Unity下的实现，本篇就不多介绍了。本篇文章主要研究一下怎样增强法线贴图的效果，法线贴图的进阶版-视差贴图（Parallax
Map）。

可调法线强度的shader

我们常用的法线效果，一般是用于增强一些细节，有时候我们想要的法线，实际用起来就会发现法线效果不强，尤其是较远的物体，比如地形，墙壁之类的场景物体，虽然加上了法线，但是由于镜头离得比较远，法线效果表现不出来。而这个时候我们一种方式是去找美术调整法线贴图，但是一方面调整贴图会比较花费美术的时间，一方面万一这张图用了多次，有的地方想要比较明显的法线效果，有的地方想要不明显的法线效果，这就比较蛋疼了。如果我们用灰度图转法线图的时候（Create from GrayScale），有个Bumpiness的选项，可以控制这张图的法线强度。但是很多时候，我们的法线图是美术直接在工具里面做好的，就没法转化了。如果我们能给一个参数，直接在材质里面调整法线的强度就好了。之前纠结了好几个小时，后来突然查到了这个帖子，豁然开朗。
首先，我们从法线贴图中获取到的是这个采样点对应的法线方向，光滑的部分法线方向都为垂直于表面竖直向上的方向，也就是（0,0,1）的方向，而有凹凸的地方，法线就会有偏移值，换句话说，我们让法线贴图采样出来的方向越偏离（0,0,1）方向，就会越加强法线的效果。我们可以减小法线贴图的b值，但b通道越小，法线效果越强，不过这样不直观，换一种方式就是加强法线贴图的r,g值，给r,g通道乘以一个factor，换句话说可以直接乘以一个(factor,factor,1)向量，就达到了增强与减弱法线效果的目的。
下面附上可以直接调整法线强度的shader代码：

//Bump Map
//by：puppet_master
//2017.2.27
Shader "ApcShader/NormalMapX"
{
//属性
Properties{
_Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
_MainTex("Base 2D", 2D) = "white"{}
_BumpMap("Bump Map", 2D) = "bump"{}
_BumpFactor ("Bump Scale", Range(0, 10.0)) = 1.0
}

//子着色器
SubShader
{
Pass
{
//定义Tags
Tags{ "RenderType" = "Opaque" }

CGPROGRAM
//引入头文件
#include "Lighting.cginc"
//定义Properties中的变量
fixed4 _Diffuse;
sampler2D _MainTex;
//使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _BumpMap;
float _BumpFactor;

//定义结构体：vertex shader阶段输出的内容
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
//转化纹理坐标
float2 uv : TEXCOORD0;
//tangent空间的光线方向
float3 lightDir : TEXCOORD1;
};

//定义顶点shader
v2f vert(appdata_tan v)
{
v2f o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
//这个宏为我们定义好了模型空间到切线空间的转换矩阵rotation，注意后面有个；
TANGENT_SPACE_ROTATION;
//ObjectSpaceLightDir可以把光线方向转化到模型空间，然后通过rotation再转化到切线空间
o.lightDir = mul(rotation, ObjSpaceLightDir(v.vertex));
//通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标，主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
return o;
}

//定义片元shader
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
//unity自身的diffuse也是带了环境光，这里我们也增加一下环境光
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
//直接解出切线空间法线
float3 tangentNormal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, i.uv));
//构建一个float3向量，用于与法线相乘得到更改后的法线值
float3 normalFactor = float3(_BumpFactor, _BumpFactor, 1);
//将factor与法线相乘并normalize
float3 normal = normalize(tangentNormal * normalFactor);
//normalize一下切线空间的光照方向
float3 tangentLight = normalize(i.lightDir);
//兰伯特光照
fixed3 lambert = saturate(dot(normal, tangentLight));
//最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
//进行纹理采样
fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
return fixed4(diffuse * color.rgb, 1.0);
}

//使用vert函数和frag函数
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

ENDCG
}

}
//前面的Shader失效的话，使用默认的Diffuse
FallBack "Diffuse"
}

我们给一张diffuse图以及一张法线图，这样我们就可以灵活地直接在材质上调整法线的强弱了。先来一张法线强度为0的情况，等同于不加法线：



强度为1时，等同于直接使用法线：



加强法线强度，设置为2时，法线效果非常更加明显：



虽然我们可以调整法线的强度，但是也不是就可以无休止地调整，当强度调整为10时，效果就有点吓人了....

视差贴图

法线贴图是通过改变要表现凹凸部分的表面的明暗值来让人有一种凹凸的感觉，但是这毕竟只是一种最初级的模拟，如果凹凸不需要特别明显，直接用法线贴图还好：



当我们想再增强法线的强度的时候，极限的情况也只能把凹陷的地方置为全黑，但是法线的强度并没有特别明显的提升：



而且上面的增强法线的shader，当法线效果增强到一定程度之后，就不仅仅会影响有凹凸的部分，还会导致非凹凸部分也被改变颜色，最后变得面目全非。所以这种做法只能算是一个“歪门邪道”（有时候这种歪门邪道还是很有用的）。

下面我们就来看一下正统一点的增强版本的法线效果，也就是视差贴图（Parallax Map）。视差贴图是真正通过改变采样点纹理坐标达到让法线效果看起来更加真实并且可以增强法线效果的目的。简单画了一张示意图解释一下视差贴图的原理：



上面是一个用法线模拟的凹凸表面，红色为我们的视线方向，视线的方向（切线空间的viewDir）是从A指向B，指向相机方向。如果表面真的有凹凸的话，那么视线方向应该和B点相交，但是实际上表面是平的，真实的交点是A点。我们在纹理坐标的层面来看一下，以uv的u轴为例，视线方向xyz转化到切线空间后，正好对应纹理坐标系上的u,v,以及垂直表面的方向。所以，为了让采样点更准确，我们需要调整实际采样时使用的纹理坐标，也就是给一个偏移值，在进行采样MainTex和BumpTex的时候，都加上相应的偏移。那么问题又来了，我们怎么知道这个偏移是多少，怎么控制这个偏移呢？首先，我们的视线方向是一直在改变的，也就是说我们可能从各个方向看这个凸起来的部分，比如我们从右边看（如上图），那么就需要向右边偏移一些；如果从左边看，那么就需要向左偏移一些；如果垂直看表面，那就不需要偏移了。所以，我们正好可以让视线方向转化到切线空间，之后视线方向的x,y轴就是我们uv需要偏移的方向了，这也就是所谓的视差。第二个问题就是我们不知道这个面的高度是多少，最简单的一种方式就是直接给一张高度图，黑色表示不需要凸起，白色表示需要凸起，这样我们进行采样的时候先采这张高度图，就知道这个点对应的高度，也就变相地知道我们需要偏移多少了，凸起越高偏移越多，凸起越低偏移越少（视线方向一致的情况下）。有了这两点，剩下的就再增加一个系数，来控制我们偏移的强度。那么最终我们需要的采样偏移值就等于tanViewDir.xy
/ tanViewDir.z * height * parallaxScale。这里用tanViewDir.xy / tanViewDir.z，通过切平面垂直的z分量来调整xy方向（uv方向）偏移的大小，也就是说当我们视角越平，uv偏移越大；视角越垂直于表面，uv偏移值越小。

下面附上视差贴图的shader代码：

//ParallaxMap
//by：puppet_master
//2017.3.10
Shader "ApcShader/ParallaxMap"
{
//属性
Properties{
_Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
_MainTex("Base 2D", 2D) = "white"{}
_BumpMap("Bump Map", 2D) = "bump"{}
_HeightMap("Height Map", 2D) = "black"{}
_HeightFactor ("Height Scale", Range(0, 0.1)) = 0.05
}

//子着色器
SubShader
{
Pass
{
//定义Tags
Tags{ "RenderType" = "Opaque" }

CGPROGRAM
//引入头文件
#include "Lighting.cginc"
//定义Properties中的变量
fixed4 _Diffuse;
sampler2D _MainTex;
//使用了TRANSFROM_TEX宏就需要定义XXX_ST
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _BumpMap;
float _HeightFactor;
sampler2D _HeightMap;

//定义结构体：vertex shader阶段输出的内容
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
//转化纹理坐标
float2 uv : TEXCOORD0;
//tangent空间的光线方向
float3 lightDir : TEXCOORD1;
//需要视线方向
float3 viewDir : TEXCOORD2;
};

//计算uv偏移值
inline float2 CaculateParallaxUV(v2f i)
{
//采样heightmap
float height = tex2D(_HeightMap, i.uv).r;
//normalize view Dir
float3 viewDir = normalize(i.viewDir);
//偏移值 = 切线空间的视线方向.xy（uv空间下的视线方向）* height * 控制系数
float2 offset = viewDir.xy / viewDir.z * height * _HeightFactor;
return offset;
}

//定义顶点shader
v2f vert(appdata_tan v)
{
v2f o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
//这个宏为我们定义好了模型空间到切线空间的转换矩阵rotation，注意后面有个；
TANGENT_SPACE_ROTATION;
//ObjectSpaceLightDir可以把光线方向转化到模型空间，然后通过rotation再转化到切线空间
o.lightDir = mul(rotation, ObjSpaceLightDir(v.vertex));
//通过TRANSFORM_TEX宏转化纹理坐标，主要处理了Offset和Tiling的改变,默认时等同于o.uv = v.texcoord.xy;
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
//计算观察方向
o.viewDir = mul(rotation, ObjSpaceViewDir(v.vertex));
return o;
}

//定义片元shader
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
//unity自身的diffuse也是带了环境光，这里我们也增加一下环境光
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.xyz;
float2 uvOffset = CaculateParallaxUV(i);
i.uv += uvOffset;
//直接解出切线空间法线
float3 tangentNormal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, i.uv));
//normalize一下切线空间的光照方向
float3 tangentLight = normalize(i.lightDir);
//兰伯特光照
fixed3 lambert = saturate(dot(tangentNormal, tangentLight));
//最终输出颜色为lambert光强*材质diffuse颜色*光颜色
fixed3 diffuse = lambert * _Diffuse.xyz * _LightColor0.xyz + ambient;
//进行纹理采样
fixed4 color = tex2D(_MainTex, i.uv);
return fixed4(diffuse * color.rgb, 1.0);
}

//使用vert函数和frag函数
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

ENDCG
}

}
//前面的Shader失效的话，使用默认的Diffuse
FallBack "Diffuse"
}

对于视差贴图，除了法线图之外，我们增加了一个HeightMap的贴图，其实只有一个通道，也可以直接放在NormapMap的A通道中，贴图中黑色表示平坦，白色表示凸起。如下图所示：



视差贴图效果如下：



在近距离的时候，法线图是经不起细看的，但是视差贴图效果却仍然很好，而且能看到凸起的细节：



俗话说得好，没有对比就没有伤害，我们对比一下没有法线，普通法线以及视差贴图的效果：



不过视差贴图也不是可以无限扩大凹凸程度的，因为毕竟视差贴图也只是近似的模拟，将采样点向真正的采样点靠近。还有一些更加高级的视差贴图，比如POM，以及带自阴影的视差贴图。不过这些贴图技术基本不可能在现在的移动设备上跑，因为需要逐像素计算一些迭代的计算，暂时没有再往深研究，最后附上一些关于视差贴图的参考链接（推荐第一个的那篇翻译文章，非常详细的讲解了各种视差贴图）：

https://segmentfault.com/a/1190000003920502

http://www.cnblogs.com/jim-game-dev/archive/2016/04/19/5410529.html

http://www.cnblogs.com/lancidie/archive/2012/01/18/2325225.html

http://docs.cryengine.com/display/SDKDOC2/Parallax+Occlusion+Mapping

http://blog.csdn.net/xujiezhige/article/details/7326606

http://www.aiuxian.com/article/p-1342838.html

http://blog.csdn.net/w450468524/article/details/51649487