【图形图】23 基础纹理（四、凹凸映射世界空间的光照计算）

来源：《UNITY SHADER入门精要》

1、基本思路

  我们主要会把 切线空间 存储的法线信息从 切线空间 变换到 世界空间 下。顶点着色器中计算 切线空间 到 世界空间 的变换矩阵。最后在片元着色器中把法线纹理中的法线从 切线空间 转换到 世界空间就好了。

2、世界空间的光照实现

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 7/Normal Map In World Space" {
	Properties {
		_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_BumpMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
		_BumpScale ("Bump Scale", Float) = 1.0
		_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
	}
	SubShader {
		Pass { 
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
		
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			sampler2D _BumpMap;
			float4 _BumpMap_ST;
			float _BumpScale;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;

  前面的不说了，已经是很能够理解了。

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 tangent : TANGENT;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float4 uv : TEXCOORD0;
				float4 TtoW0 : TEXCOORD1;  
				float4 TtoW1 : TEXCOORD2;  
				float4 TtoW2 : TEXCOORD3; 
			};

  第11 - 13 行存储的是所有的在顶点着色器计算了的，每个顶点的切线空间 到世界空间的变换矩阵，之所以使用三个 float4 是因为一个插值寄存器最多只能存储 float4 大小的变量，对于矩阵这样的变量，我们就可以把它们按行拆成多个变量再进行存储。第 11-13 行的变量存储的就是从 切线空间 到 世界空间 的变换矩阵。本来，对于方向矢量的变换只需要使用 3x3 大小的矩阵，也就是说，每一行只需要使用 float3 类型那个的变量即可。但是，为了充分利用插值寄存器的储存空间，我们把世界空间下的顶点位置存储在这些变量的 w 分量中。

v2f vert(a2v v) {
	v2f o;
	o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
	
	o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
	o.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;
	
	float3 worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;  
	fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  
	fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);  
	fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w; 
	
		// Compute the matrix that transform directions from tangent space to world space
		// Put the world position in w component for optimization
	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;
}

  我们计算了 世界空间 下的定点切线、副切线和法线的矢量表示，并把它们按列存储在 TtoW0、TtoW1、TtoW2 中。这些顶点自己的 xyz 坐标分别存储在了这些变量的 w 分量中，以便充分利用插值寄存器的存储空间。

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
		// Get the position in world space		
	float3 worldPos = float3(i.TtoW0.w, i.TtoW1.w, i.TtoW2.w);
		// Compute the light and view dir in world space
	fixed3 lightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
	fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
	
	// Get the normal in tangent space
	fixed3 bump = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, i.uv.zw));
	bump.xy *= _BumpScale;
	bump.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(bump.xy, bump.xy)));
	// Transform the narmal from tangent space to world space
	bump = normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz, bump), dot(i.TtoW1.xyz, bump), dot(i.TtoW2.xyz, bump)));
				
	fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;
				
	fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(bump, lightDir));

	fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
	fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(bump, halfDir)), _Gloss);

	return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
			}
			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Specular"
}