【Unity Shaders】Reflecting Your World —— Unity3D中的法线贴图和反射

本系列主要参考《Unity Shaders and Effects
Cookbook》
一书(感谢原书作者),同时会加上一点个人理解或拓展。

这里是本书所有的插图。这里是本书所需的代码和资源(当然你也可以从官网下载)。

========================================== 分割线 ==========================================

写在前面


有很多情况你可能想要使用法线去影响反射效果。比如,你想要模拟一个被霜雪覆盖的玻璃材质的表面,或者一个冰块。如果你根据物理知识真实的模拟这个平面的每一个细节部分,那么你就不要希望你游戏的FPS还可以达到60帧了。相反的,我们可以使用法线贴图来伪造一个视觉体验,因此我们需要学习如何将法线贴图的信息传递给反射效果。

为了完成这个任务,我们将要学习Input结构体的另一个内置参数,它可以将由法线贴图技术生成的修改后的平面法线信息传递进来。下面,让我们来具体看一下如何修改Input结构体来达到这个效果吧!



准备


  1. 首先,我们需要一个Cubemap来产生反射效果。所以你可以使用前一节中的Cubemap,或者生成一个新的。这一节中,我们使用的如下所示(你可以在本书资源中找到它):

    【Unity Shaders】Reflecting Your World —— Unity3D中的法线贴图和反射
  2. 我们还需要一张法线贴图来产生基于法线的反射效果。

    【Unity Shaders】Reflecting Your World —— Unity3D中的法线贴图和反射
  3. 最后,创建一个新的场景、一个球体、一个平面以及一个平行光。同时,还需要创建一个新的Shader和Material,命名为NormalMappedReflection。


实现


  1. 首先让我们添加新的properties,使得我们能够添加自己的Cubemap和法线贴图。这个步骤你应该非常熟悉了。向Properties块添加下列代码:
    	Properties {
    _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)
    _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    _NormalMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
    _Cubemap ("Cubemap", CUBE) = ""{}
    _ReflAmount ("Reflection Amount", Range(0,1)) = 0.5
    }
  2. 然后,我们需要在SubShader块声明这些properties,使得我们能够访问Properties块中的这些数据:
    		CGPROGRAM
    #pragma surface surf Lambert samplerCUBE _Cubemap;
    sampler2D _MainTex;
    sampler2D _NormalMap;
    float4 _MainTint;
    float _ReflAmount;
  3. 然后,修改Input结构体。这是基于法线贴图的反射的精华所在。通过使用INTERNAL_DATA声明,我们可以访问经过法线贴图修改后的平面的法线信息:
    		struct Input {
    float2 uv_MainTex;
    float2 uv_NormalMap;
    float3 worldRefl;
    INTERNAL_DATA
    };
  4. 最后,我们需要修改surf函数,来得到最后的基于法线贴图的反射效果:
    		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
    half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex); float3 normals = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap)).rgb;
    o.Normal = normals; o.Emission = texCUBE (_Cubemap, WorldReflectionVector (IN, o.Normal)).rgb * _ReflAmount;
    o.Albedo = c.rgb * _MainTint;
    o.Alpha = c.a;
    }

最后,整体代码如下:
Shader "Custom/NormalMappedReflection" {
Properties {
_MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)
_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
_NormalMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}
_Cubemap ("Cubemap", CUBE) = ""{}
_ReflAmount ("Reflection Amount", Range(0,1)) = 0.5
}
SubShader {
Tags { "RenderType"="Opaque" }
LOD 200 CGPROGRAM
#pragma surface surf Lambert samplerCUBE _Cubemap;
sampler2D _MainTex;
sampler2D _NormalMap;
float4 _MainTint;
float _ReflAmount; struct Input {
float2 uv_MainTex;
float2 uv_NormalMap;
float3 worldRefl;
INTERNAL_DATA
}; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex); float3 normals = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap)).rgb;
o.Normal = normals; o.Emission = texCUBE (_Cubemap, WorldReflectionVector (IN, o.Normal)).rgb * _ReflAmount;
o.Albedo = c.rgb * _MainTint;
o.Alpha = c.a;
}
ENDCG
}
FallBack "Diffuse"
}

效果如下(一个表明凹凸不平的反射球):

【Unity Shaders】Reflecting Your World —— Unity3D中的法线贴图和反射
而下图是不加法线影响的效果(一个光滑的反射球):
【Unity Shaders】Reflecting Your World —— Unity3D中的法线贴图和反射



解释


你可能已经注意到这一节的Shader和上一节中的非常类似,而有一个非常重要的不同点(上一节直接使用IN.worldRefl来查找Cubemap)。我们想要使用逐像素的法线贴图来修改我们的反射贴图。为了完成这个目的,我们需要得到在应用法线贴图后、物体的平面法线信息。这意味着,我们需要下列代码:
			float3 normals = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap)).rgb;
o.Normal = normals;

一旦上述代码在Shader中执行后,物体的平面法线将被修改;因此,我们需要使用它来影响我们的反射。我们可以通过声明INTERNAL_DATA来访问修改后的法线信息,然后使用WorldReflectionVector (IN, o.Normal)去查找Cubemap中对应的反射信息。这是Unity提供给我们的另一个内置函数,因此我们不需要再自己写那些冗长的代码,而仅仅需要关注编写Shader中产生关键效果的部分。




更多…


结构体中还有很多内置函数(变量),而在将来的章节中我们的确会接触到它们。下面的表格描述了每一个内置函数的作用以及如何使用它们。你也可以访问官网来得到更多的关于内置函数的信息:

float3 viewDir 包含了视角的观察方向,主要用于计算视差效应(Parallax effects ),边缘光照,等等。
float4 COLOR 包含了经过内插值(interpolated )的每个顶点的颜色值。
float4 screenPos 包含了用于反射效果的屏幕坐标系的位置信息。例如,在Unity专业版的WetStreet shader中使用了它。
float3 worldPos 包含了世界坐标系中的位置。
float3 worldRefl 包含了世界坐标系中的反射向量,如果Surface Shader没有重写o.Normal。参考Reflect-Diffuse shader。
float3 worldNormal 包含了世界坐标系中的法线向量,如果Surface Shader没有重写o.Normal。
float3 worldRefl;

INTERNAL_DATA
包含了世界坐标系的反射向量,如果Surface Shader重写了o.Normal。为了得到基于逐像素的法线贴图的反射向量,请使用WorldReflectionVector (IN,o.Normal) 。参考Reflect-Bumped shader。
float3 worldNormal;

INTERNAL_DATA
包含了世界坐标系的发现向量,如果Surface Shader重写了o.Normal。为了得到基于逐像素的法线贴图的法线向量,请使用WorldNormalVector (IN,o.Normal) 。参考Reflect-Bumped shader。





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