【技术美术】顶点技术概述

【技术美术】顶点技术概述

顶点是GPU渲染管线中顶点着色器的输入，其结构完全由用户自定义。不过在行业中，一些顶点属性已经成了事实标准。通常来讲，顶点具有如下属性：

• float3 position：位置（绘制坐标，一般基于物体空间，通过变换转到NDC空间）
• float3 normal：法线（顶点的朝向，用于实现需要方向信息的计算，如光照）
• float4 tangent：切线（与法线配合可构成切线空间，实现以顶点为坐标系的功能，如法线贴图）
• float2 uv：纹理坐标（实现顶点到纹理的映射，从而支持采样额外的纹理数据）
• float4 color：颜色（额外的基于顶点存储的数据，可以按需使用）

顶点属性唯一性

对于每种属性，顶点同时只能持有一个。

但在一些建模软件中会发现，顶点可以同时持有多个不同的同名属性值，例如一个顶点根据不同的相邻面可以有多个法线，从而实现锐边。不过这些其实是建模软件自行实现的功能，并不能存储到GPU中实际使用的顶点数据中。当带有这种顶点的网格放入到Unity中时，Unity实际会将这些数据拆分，分配到多个新生成的顶点中。

如果此时制作一些顶点偏移的特效，就很容易出现破面的情况。虽然原始模型中，这些面是相连的，但 Unity 为了保证顶点属性的唯一性，为每个面分配了各自的顶点，于是面就断开了。

顶点光栅化

顶点数据是基于顶点存储，但利用光栅化，这些数据也可以通过插值传递给像素。但这种插值方式是线性插值的，因此针对某些数据时，存在一些问题。

非线性数据错误

黑色箭头是来自顶点的法线，而红色箭头是其经过光栅化插值的结果。显然由于法线作为方向，其应该是归一化的，所以那些绿色箭头才是期望的正确的结果。

针对这种错误的解决方法就是在光栅化后进行数据矫正，例如归一化法线。

非线性布局错误

黑色圆点是顶点，红色线是线性插值带来的数据变化分布。明显可以看到中间顶点与两点顶点间的数据变化形成了尖角，这种忽然的不连续变化会导致视觉上接缝的产生。实际上我们期望制作的是一个圆润的圆盘，所以绿色实线才是期望的数据变化分布。

针对这种错误的解决方法就是不用顶点存储非线性数据，而是在光栅化后自行通过其他方法计算出这种非线性数据，例如uv极坐标转换。

切线空间

有些功能例如“法线贴图”、“视差贴图”等期望能在一个基于顶点的空间坐标系进行计算，这就引出了切线空间的需求。切线、法线和由两者叉乘得出的副切线，就构成了形成切线空间的3个基向量。

【技术美术】切线空间

顶点颜色

当顶点需要存储额外数据时有两种方式：

• uv+纹理
• 顶点颜色

但当存储一些特定于顶点的非纹理数据时，“uv+纹理”的方案存在一些问题：

1. 由于需要经过二次查找才能拿到数据，根据uv精度、纹理分辨率、采样器的不同很容易导致数据读取不准确。
2. uv存在缝合边的问题，逻辑上相同的顶点uv却不一定相同，进一步导致了数据读写的误差产生，还会导致断面。

所以部分情况下采用顶点颜色存储数据比纹理更加方便易用，不过可惜的是 Unity 仅提供一个顶点颜色属性，因此其存储容量是有限的。