《Unity Shader入门精要》学习笔记 - Chapter 7

redhat9i · 发表于 2022-4-6 19:14

7.1 单张纹理

在Blinn-Phong的基础上增加了纹理采样相关代码，实现贴图。

Properties中增加纹理属性：

_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}

对应的变量声明有两个：

sampler2D _MainTex; //贴图内容

float4 _MainTex_ST; //贴图缩放和偏移

在之后增加了法线贴图、遮罩贴图等等之后，如果缩放和偏移都是一样的，可以用同一个float4来存储。

结构体a2v中增加：

float4 texcoord : TEXCOORD0;

四维浮点数，xy定义tiling，zw定义offset。接受前面的

结构体v2f中增加：

float2 uv : TEXTCOORD2;

采样的坐标，在顶点着色器里接受从a2v里传过来的texcoord并且加上_MainText_ST的变换：

v2f o;

o.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;

//o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex); //使用Unity内置宏

对纹理进行采样的过程发生在片元着色器中，使用tex2D(被采样纹理(_MainTex), 采样坐标(i.uv))函数，作为diffuse color：

fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;

fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));

之后加上ambient、specular即可。

疑惑的地方：TEXCOORD语义究竟传递了什么信息？a2v和v2f中都用到了TEXCOORD0，可以重复？另外在粘贴上面一行代码的时候发现写成了TEXTCOORD2（应为TEXCOORD2），但是shader没有报错，可以正常运行达到想要的效果？

我的理解是TEXCOORD在硬件上分配了一个寄存数值的地方，其数值并不一定和纹理有关，比如v2f中的worldPos存储在TEXCOORD1中，用法很灵活，比如这里的float4 _MainTex_ST就用前两位和后两位分别存储了缩放和偏移，后面的法线贴图还有用三个float4的TEXCOORD的前三位构建切线空间到世界空间的转化矩阵、最后一位存位置的操作。总之，充分利用存储空间。

另一个疑惑的地方：颜色相乘有什么意义？两个颜色的乘积就代表混合吗？总的方向是对的：白色的环境光(1,1,1)照射到物体上，物体颜色不改变，没有环境光(0,0,0)的时候物体也显示出黑色；max(0, dot(worldNormal, worldLightDir))，兰伯特（漫反射）定律。

7.1.2讲了一下纹理的属性，在纹理的inspector面板里调整类型（normal map/cubemap……默认类型我现在用的版本是Default，不是书里的Texture）、wrap mode（常用Repeat、Clamp，但是调整了之后没看出来区别？）、滤波模式ffilter mode、advanced中可选是否生成mipmap，
7.2 凹凸映射

bump mapping，包括法线纹理（normal map）、高度纹理（height map，从说明来看就是位移贴图displacement map？）

如何理解模型空间和切线空间下法线纹理的“样子”？

模型空间：各顶点的法线各异，从（-1，-1，-1）到（1，1，1）都有→法线的绝对值→许多不同的值→花花绿绿的法线纹理。

切线空间原点是顶点→法线的相对值→如果相对于原来的法线变化不大，则值基本相同(0,0,1)→大片蓝色的法线纹理。不变→(0,0,1)→映射到[0,1]→(0.5,0.5,1)→浅蓝色。

使用切线空间的好处：

可移植，不限于某一特定模型；可以实现uv动画；可压缩（z总是正向，只存储xy即可）

使用模型空间的好处：

简单直观；边角处更平滑。书中关于纹理连续性的说明没太看懂……

我们甚至都不需要模型原始的法线和切线等信息，也就是说，计算更少。生成它也非常简单，而如果要生成切线空间下的法线纹理，由于模型的切线一般是和UV方向相同，因此想要得到效果比较好的法线映射就要求纹理映射也是连续的。

-在切线空间中计算

新函数：ObjSpaceLightDir(v.vertex)、ObjSpaceViewDir(v.vertex)。

用于将模型空间转换到切线空间的矩阵：float3x3(v.tangent.xyz, binormal, v.normal)。三个向量分别是顶点上的切线、副切线、法线方向单位矢量，满足相互垂直，是一组标准正交基（见4.4.4）。或使用内置宏TANGENT_SPACE_ROTATION。

也可以使用世界空间，代码如下：

fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);

fixed3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w;

float3x3 worldToTangent = float3x3(worldTangent, worldBinormal, worldNormal);

//transform light direction from object space to tangent space

o.lightDir = mul(worldToTangent, WorldSpaceLightDir(v.vertex));

//transform view direction from object space to tangent space

o.viewDir = mul(worldToTangent, WorldSpaceViewDir(v.vertex));

7.3 渐变纹理

其实和凹凸纹理的道理一样，shader里也都是用tex2D函数实现的。但是二维贴图更直观一点，给人一种“把纹理贴到物体上”的感觉，而一维的渐变纹理（应该不是所有渐变纹理都是一维的，我猜。书中没有介绍二维渐变纹理，但提到了“纹理其实可以用于存储任何表面属性”）给人一种“针对模型上的点到色带上采样”的感觉。

渐变纹理经常在卡通渲染中控制漫反射光照。
7.4 遮罩纹理

纹理“存储任何表面属性”的另一个例子，和ps里蒙版的逻辑差不多，控制模型上哪些区域收到修改，例如指定不同的高光强度、混合多张地形材质等。精细化控制光照。

书中示例的效果是高光部分被压暗了一些。

正常的Blinn-Phong高光

添加了遮罩纹理

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