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【猫猫的Unity Shader之旅】之法线贴图的运用(猫咪的testflight)

编辑：rootadmin

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　　前几篇文章都在讲原理性的东西，不知道大家有没有烦。其实，当对Shader了解越来越多之后，就会越来越发现原理的重要性。建议大家学了一些Unity Shader的用法之后，多了解一点图形学知识，勿筑台于浮沙。

为什么需要法线贴图

　　在实际的开发过程中，我们经常会遇到这样的矛盾：一方面希望模型的显示效果好，另一方面又希望模型具有较少的面数，节省开发成本和运行效率。例如我们现在要做一面砖墙，思路可能是这样的：

　　1、创建一个立方体，调整各方向缩放使其看上去像一面墙。如图。

　　2、创建一个默认材质和Shader，材质附加到立方体上，材质的Shader选择我们创建的Shder。

　　3、为材质选择一幅石砖的贴图。为了更好地观察效果我们可以再添加一个方向光。

　　当我们仔细观察这面墙时，会发现它不那么真实，尤其是旋转灯光或者墙时，墙的明暗是统一变化的，砖之间没有明暗变化，看上去就像平整的墙面上贴了一层墙纸一样。那么为什么会这样呢，这还需要从光照说起。

　　回想一下我们上回说到的光照模型，对于默认的Unity Shader，我们用的Lambert光照模型，也就是LightingLambert方法(可以在Lighting.cginc文件中找到)，Lambert模型是这样的：

　　下面我们来简单分析下这段代码。上回我们说到，光照模型的任务是返回一个颜色(准确说经过处理的片段颜色，片段是模型经过顶点变换后形成的与屏幕坐标一一对应的部分)。可以看到最终返回的颜色c，它的rgb是光照颜色乘以反射率后又乘了一个系数。光照颜色乘以反射率容易理解，物体的颜色就是光的颜色经过衰减后得到的，比如白光(颜色为(1.0， 1.0， 1.0))照射在红色物体(反射率为(1.0， 0.0， 0.0)，反射全部红光，不反射绿蓝光)上时，产生的颜色为红色(1.0， 0.0， 0.0)。那么系数diff是什么呢？

　　从代码fixed diff = max (0, dot (s.Normal, lightDir));这句可以看到，diff是光照方向(lightDir)和片段的法线(s.Normal)经过点乘后得到的。回想一下中学学过的物理知识：

【猫猫的Unity Shader之旅】之法线贴图的运用(猫咪的testflight)

　　法线垂直于平面，入射光与法线的夹角称作入射角，反射光和法线夹角成为反射角，入射角等于反射角，对吧。OK，这么多就够了，毕竟不是物理课…对于Lambert光照模型，由于入射光方向(lightDir)和法线方向(s.Normal)都是规范化过的(长度为1)，所以点乘的结果就是入射角的余弦值，由于余弦值的取值范围是[-1, 1]，经过和0进行最大值比较后，diff得到的就是个[0, 1]范围内的值，而且入射角越小，diff的值越小。

　　到现在情况就明朗很多了，这个光照先是通过折射率对光照颜色进行衰减，又通过diff这个随着入射角增大而减小的[0，1]之间的值进行衰减，通俗点说就是光线越正着照，颜色就越亮。

　　这就是为什么我们的墙没有那么多明暗变化了，我们这个墙是个简单的立方体，模型中只包含八个顶点信息，顶点之间的片段是通过差值产生的。想要实现我们想要的真正的墙壁的感觉，需要从以下两个方面入手：

　　1、增加模型顶点信息，用模型自带法线信息增加表面细节。

　　2、在Shader中修改片段的法线。

　　我想不用我说大家也知道第二种方式更好一些。但是问题是，我们如何知道应该把法线改成多少呢？这就需要贴图来提供信息了。之前我们用贴图的颜色去修改片段的颜色，同样也可以通过法线贴图去修改片段的法线。这种用rgb值表示对应法线的xyz值得贴图，就叫法线贴图。

在Shader中使用法线贴图

　　猫猫本来打算少说一些理论呢，结果不知不觉又说了一大堆…不过好在，猫猫感觉已经解释的很清楚啦，下面的代码就显得灰常简单了，不说了，直接上代码了：

　　我们在代码中定义了一幅新的贴图，在surf方法中通过tex2D取得贴图的信息，UnpackNormal方法将其转换为对应的法线值。这里我把Lambert模型放进来，方便大家看到一个完整的过程。

　　为我们的材质选择一个合适的法线贴图，再次移动光源，就可以看到砖墙表面出现了更多的细节效果。

　　需要完整工程的童鞋请戳这里。

结束语

　　从这篇开始，猫猫打算讲一些具体的渲染技术，那些无聊的理论终于要退居二线了。目前的打算是只说下最常用的和比较关键的渲染技巧和方法，毕竟猫猫觉得一种好的渲染效果更多靠的是对图形学的理解和…审美…好吧，咱们下回见。