unity-shader-切线空间

法线贴图与切线空间

切线空间

使用法线贴图是因为在低模下想获得高模凹凸表面光照效果。（也就是面数不够，法线来凑，基于面的法线建立一个 虚拟坐标系 ，通过法线贴图在面上 加多点法线）

由于需要将同一份法线纹理贴到不同模型的表面，或者同一个模型中不同角度的表面，那么当初生成这份法线纹理时所使用的面元角度（所谓模型local坐标系），就无法适用在其他角度的面元上。所以，人们不记录当时用模型坐标系生成的法线，而使用z轴与该点所在面元的法线平行的一个虚拟的相对坐标系来记录该点法线在该坐标系中的x/y/z的值，相当于记录了该点法线与所在平面法线之间的相对关系，而不是记录绝对坐标。由于点的法向量基本不会偏移面法向量太多，也就是凹凸程度一般不会太夸张，所以最终的法向量值中，z的值总是比x和y的大一些（也就是说点法向量与平面的的夹角一般会大于45度），用（法向量值+1）/2转换为RGB后，就成了蓝色为主的色调了。
这里写图片描述

经过这样记录下来的法向量，贴到哪个模型表面，就按照当前表面的法向量，计算出该点法向量在世界坐标空间中的值，然后计算光照就可以了。

但是有个问题，看下图，竖轴同样是面法向量，但是有多种不同的x和y轴组合，每种组合生成的点法向量是不一致的，所以需要规定一套固定的x和y轴，大家遵守同样的规则。怎么规定呢？就用纹理的uv坐标来定。具体做法是，取该点所在的三角形的三个顶点P1.P2.P3的纹理U和V坐标，然后x轴的方向就是P3指向P1，又称T轴；y轴方向是P3指向P2，又称B轴。（完）
这里写图片描述

参考资料

测试代码1

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'

Shader "Custom/texture/test2" {

//  定义纹理属性 增加法线纹理
    Properties {
        _Color ("Color", 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)
        _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;
//      纹理缩放平移属性
        float4 _MainTex_ST;
        sampler2D _BumpMap;
        float4 _BumpMap_ST;
        float _BumpScale;
        fixed4 _Specular;
        float _Gloss;

        struct a2v{
        float4 vertex: POSITION;
//      指定顶点法线
        float3 normal:NORMAL;
//      指定顶点切线
        float4 tangent:TANGENT;
//      语义指定第一个纹理
        float4 texcoord:TEXCOORD0;

        };

        struct v2f{
            float4 pos:SV_POSITION;
            float4 uv:TEXCOORD0;
            float3 lightDir:TEXCOORD1;
            float3 viewDir:TEXCOORD2;
        };

        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;
    //      计算副切线
            float3 binormal=cross(normalize(v.normal),normalize(v.tangent.xyz))*v.tangent.w;
    //      构建变换矩阵，将位置坐标从模型空间转换到切线空间
            float3x3 rotation=float3x3(v.tangent.xyz,binormal,v.normal);
    //      或者使用内建方法
    //      TANGENT_SPACE_ROTATION;
    //      转换光源方向从模型空间到切线空间
            o.lightDir=mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex)).xyz;
    //      转换注视方向从模型空间到切线空间
            o.viewDir=mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex)).xyz;
            return o;
        }

        fixed4 frag(v2f i):SV_Target{
            fixed3 tangentLightDir=normalize(i.lightDir);
            fixed3 tangentViewDir=normalize(i.viewDir);
    //      获取法线贴图纹理
            fixed4 packedNormal=tex2D(_BumpMap,i.uv.zw);
            fixed3 tangentNormal;
    //      如果纹理不是法线纹理
    //      tangentNormal.xy=(packedNormal.xy*2-1)*_BumpScale;
    //      tangentNormal.z=sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));
    //      或者使用内建方法
            tangentNormal=UnpackNormal(packedNormal);
            tangentNormal.xy*=_BumpScale;
            // 通过 xy值求出 z 变量
            tangentNormal.z=sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));

            fixed3 albedo=tex2D(_MainTex,i.uv).rgb*_Color.rgb;
            fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz*albedo;
            fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*albedo*max(0,dot(tangentNormal,tangentLightDir));
            fixed3 halfDir=normalize(tangentLightDir+tangentViewDir);
    //      BlinnPhon光照模型
            fixed3 specular=_LightColor0.rgb*_Specular.rgb*pow(max(0,dot(tangentNormal,halfDir)),_Gloss);
            return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);
        }
        ENDCG
        }

    }
    FallBack "Specular"
}