Unity Shader学习笔记（8）纹理映射、凹凸映射

单张纹理，凹凸映射的逐顶点和逐像素对比： 

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。

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)

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。

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))); 
    ...
｝