【Unity Shaders】學習筆記——SurfaceShader（七）法線貼圖
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寫作本系列文章時使用的是Unity5.3。
寫代碼之前：
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當然啦，如果Unity都沒安裝的話肯定不會來學Unity Shaders吧？
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閱讀本系列文章之前你需要有一些編程的概念。
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在VS里面，Unity Shaders是沒有語法高亮顯示和智能提示的，VS黨可以參考一下這篇文章使代碼高亮顯示，也可以下載
shaderlabvs或NShader之類的插件使代碼高亮顯示。 -
這是針對小白的Unity Shaders的基礎知識，如果你已經有了基礎或者你是大神，那么這些文章不適合你。
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由於作者水平的局限，文中或許會有謬誤之處，懇請指出。
法線貼圖是一種在低模上模擬高模的效果的技術。這是維基對它的介紹。
法線貼圖類似凹凸貼圖的升級版，凹凸貼圖記錄了物體表面凹凸的情況，法線貼圖記錄了物體表面凹凸的光照信息。光照信息即是入射光與法線的夾角信息。
為了提高性能，模型的面數越少越好，很多細節的東西都是用貼圖去彌補。但是光照是基於頂點去計算的，這樣高光陰影等光照的表現就不夠真實。於是前輩們發明了法線貼圖這個辦法，用貼圖記錄表面的光照信息，也就是用RGB值存儲法線坐標的XYZ值，使低模也能夠有高模的光照信息，從而表現出高模的光照效果。這是一種存儲空間換計算時間的方法。這篇文章介紹了3DMax制作法線貼圖的方法，看完應該會更理解法線貼圖的作用。
下面這張圖便說明了法線貼圖的原理：
接下來就來學習如何編寫有法線貼圖的Shader吧。
首先准備一張NormalMap，要將它的Texture Type改為Normal Map：
先定義幾個Properties：
Properties
{
//Add these Properties
_MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)
_NormalTex ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
_NormalIntensity ("Normal Map Intensity", Range(0,2)) = 1
}
_NormalTex就是法線貼圖，_NormalIntensity是法線的強度，也就是控制凹凸的強度。
在SubShader里定義同名的變量：
//Link the property to the CG program
sampler2D _NormalTex;
float4 _MainTint;
float _NormalIntensity;
在Input結構里定義法線貼圖的紋理坐標：
//Make sure you get the uvs for the texture in the Struct
struct Input
{
float2 uv_NormalTex;
};
編寫surf函數：
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
{
//Get the normal Data out of the normal map textures
//using the UnpackNormal() function.
float3 normalMap = UnpackNormal(tex2D(_NormalTex, IN.uv_NormalTex));
normalMap = float3(normalMap.x * _NormalIntensity,
normalMap.y * _NormalIntensity, normalMap.z);
//Apply the new normals to the lighting model
o.Normal = normalMap.rgb;
o.Albedo = _MainTint.rgb;
o.Alpha = _MainTint.a;
}
解釋
法線貼圖中記錄了高模的法線信息。法線的值是[-1,1]，RGB的值是[0,1]，所以將法線信息存儲在RGB中需要轉換。方法是((x,y,z)+(1,1,1))*0.5。也就是原先(-1,0,1)坐標變成了（0，0.5，1）。UnpackNormal函數的作用就是轉換坐標點。
在Unity安裝目錄（/Editor/Data/CGIncludes/）下的Unity.cginc文件里有UnpackNormal函數的定義。
inline fixed3 UnpackNormalDXT5nm (fixed4 packednormal)
{
fixed3 normal;
normal.xy = packednormal.wy * 2 - 1;
normal.z = sqrt(1 - saturate(dot(normal.xy, normal.xy)));
return normal;
}
inline fixed3 UnpackNormal(fixed4 packednormal)
{
#if defined(UNITY_NO_DXT5nm)
return packednormal.xyz * 2 - 1;
#else
return UnpackNormalDXT5nm(packednormal);
#endif
}
我們看到，有兩種轉換法線的函數，這兩種函數是針對不同法線貼圖格式的。
如果是未壓縮的格式，就將法線貼圖里存儲的xyz值乘2減1，變回原來的坐標。
如果是DXT5nm壓縮格式（可以推測這應該是Unity使用的壓縮格式），則要用另外一種轉換方法。（這也是為什么要將紋理類型設置為Normal Map的原因，因為不同類型的圖片要用不同的方法轉換）
DXT5nm壓縮格式，只有G和A通道。因為法線是單位向量，所以只要知道任意兩個坐標值，就能求出另一個坐標值（z2=1-x2-y2)，只要兩個通道存儲兩個坐標值即可。因為這樣的計算並不復雜，所以可以節省空間以使用更多的貼圖。DXT5nm將R通道的值移到了Alpha通道，保留G通道的值，R和B通道則以某種顏色填充。
所以轉換DXT5nm的法線貼圖，要先將A通道和G通道的值（wy)轉換為xy，再計算z值。
后面的代碼就好解釋了。轉換了法線坐標以后將法線賦值給輸出結構體的Normal變量。因為法線（0，0，1）就表明這點的法線和高模的法線相同，所以Z坐標沒有必要乘_NormalIntensity。
法線貼圖原理
法線貼圖的基本原理前面已經講過了，就是將高模的法線信息xyz存儲在rgb中，應用法線貼圖的時候將rgb值轉換為xyz，在計算光照的時候，使用高模的法線進行計算，從而得到高模的光影效果，造成低模呈現高模較為平滑的表面的假象，這是一種視覺欺騙。
這個小節里要再詳細談談法線的坐標。
要表示一個向量在三維空間的位置需要一個三維坐標系作參考。要表示法線的方位可以用世界坐標（World Space），也可以用模型坐標（Object Space）。這兩個坐標系大家應該聽說過。
如果用世界坐標，那么模型就不能旋轉和移動了。因為模型的位置改變了，它在世界坐標系里的坐標也改變了，但法線的坐標是基於世界坐標系的，這樣法線的位置就不對了。不然讀取了法線信息還要再進行世界坐標的轉換。
如果用模型坐標，就沒有世界坐標不能旋轉和移動的局限了。不管模型怎么旋轉移動，法線的位置是相對於模型的，所以法線的坐標不會變。相比於世界坐標，使用模型坐標還要進行模型坐標到世界坐標的轉換，效率低點，但靈活性更好了。
但是使用模型坐標還有局限，就是模型不能變形。因為模型變形了，法線相對模型的坐標也變了，一些會有形變的物體（比如有骨骼蒙皮動畫的模型）就不適用基於模型坐標的法線貼圖。
所以還需要另外一種坐標系，使法線貼圖不僅僅適用於某個模型，還可以用在其他模型上。
這種坐標系就是切線坐標（Tangent Space）。切線坐標就以表面上某一點的切線作為XY軸，法線作為Z軸（即垂至表面的軸）。這樣的話，符合要求的坐標系有無數種。我們可以直接將紋理的UV坐標當作XY軸，這樣就有一個現成的坐標系可以使用。
可以這樣理解切線坐標，它表示的是高模上的法線相對對應點上的低模的法線的擾動程度。當法線坐標是（0，0，1）的時候，說明高模法線和低模法線一致，相當於切線坐標表示的是高模法線相對低模法線在XY方向上的偏移程度。這也解釋了上文代碼中為什么Z軸不用乘_NormalIntensity。
法線貼圖是用於表現表面微小的凹凸的，比如皮膚皺紋、魚鱗等，所以法線的擾動值不會太大，也就是Z坐標的值是比較大，所以B通道的值比較大，所以法線貼圖通常都是藍盈盈的。
使用切線坐標也就是說每個面都有一個自己的坐標系。在Vertex Shader里進行光照計算的時候要將光線向量的坐標從World Space轉換到Tangent Space。所以我們可以在Surface Shader里使用lightDir變量和normal變量進行計算，因為Unity幫我們做了很多工作。
相比模型坐標，切線坐標更加靈活，可以應用在與原模型形狀不同的模型上，比如可以把花崗岩的法線貼圖應用在一個圓柱體表面，使圓柱體表面也具有花崗岩的凹凸效果。
法線貼圖通常有兩種，一種是Object Space Normal Map，一種是Tangent Space Normal Map。如果模型沒有動畫，那么可以使用Object Space Normal Map，如果模型有動畫，或者會變形（比如流動的水、火焰）那就要使用Tangent Space Normal Map。因為Tangent Space Normal Map要靈活的多，可以應用於不同的物體，所以Tangent Space Normal Map使用得更多一些。