【URP】Unity[法线贴图]原理与实践

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

法线贴图（Normal Mapping）是一种通过修改表面法线方向来模拟凹凸细节的纹理技术，无需增加模型几何复杂度，显著提升渲染效率同时保持视觉真实感。

解决的问题

• ‌性能优化‌：用低多边形模型配合法线贴图替代高模，减少计算开销
• ‌细节增强‌：通过RGB通道存储法线方向，模拟表面凹凸、划痕等微观结构
• ‌动态光照响应‌：每个像素的法线独立参与光照计算，实现更真实的明暗变化

历史发展节点

• ‌1998年‌：首次由Crytek在游戏《Far Cry》中大规模应用
• ‌2004年‌：成为DirectX 9标准特性，进入主流游戏引擎
• ‌2018年‌：Unity URP管线整合法线贴图标准化工作流，支持移动端优化
• ‌2022年‌：HLSL语法改进，分离纹理对象与采样器声明

生成与使用流程

生成方法

• ‌高模烘焙‌：通过ZBrush等工具将高模细节烘焙到低模法线贴图
• ‌程序生成‌：Substance Designer等工具从高度图转换生成
• ‌手动绘制‌：Photoshop使用滤镜生成基础法线纹理

详细存储原理参看了解具体如何计算和存储的。

URP实现步骤

• ‌纹理导入‌
  • 类型设为Default，勾选Bump Map自动切换模式
  • 压缩格式推荐BC5 (DXT5nm)或BC7
• ‌材质配置
  • Shader选择：URP > Lit 或 Simple Lit
    法线贴图拖拽至Normal Map插槽
    调整Normal Scale参数控制凹凸强度（0.5-1.5为常用范围‌
• ‌Shader核心原理‌
  • ‌切线空间转换‌：通过TBN矩阵将法线从切线空间转到世界空间
  • ‌光照计算‌：转换后的法线与光源方向点积决定漫反射强度

完整示例代码

以下URP Shader实现法线贴图与基础光照：

• ‌顶点着色器‌：计算世界空间法线和切线

• ‌片段着色器‌：采样法线贴图并通过TBN矩阵转换

• ‌光照模型‌：采用Lambert漫反射计算

• NormalMapShader.shader

  Shader "Custom/NormalMapShader" {
      Properties {
          _MainTex("Albedo", 2D) = "white" {}
          _NormalMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}
          _NormalScale("Normal Scale", Range(0,2)) = 1
      }
      SubShader {
          Tags { "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
          HLSLINCLUDE
          #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
          ENDHLSL
          Pass {
              HLSLPROGRAM
              #pragma vertex vert
              #pragma fragment frag
              struct Attributes {
                  float4 positionOS : POSITION;
                  float2 uv : TEXCOORD0;
                  float3 normalOS : NORMAL;
                  float4 tangentOS : TANGENT;
              };
              struct Varyings {
                  float4 positionCS : SV_POSITION;
                  float2 uv : TEXCOORD0;
                  float3 normalWS : TEXCOORD1;
                  float4 tangentWS : TEXCOORD2;
              };
              sampler2D _MainTex;
              sampler2D _NormalMap;
              float _NormalScale;
              Varyings vert(Attributes IN) {
                  Varyings OUT;
                  VertexPositionInputs posInput = GetVertexPositionInputs(IN.positionOS.xyz);
                  OUT.positionCS = posInput.positionCS;
                  OUT.uv = IN.uv;
                  VertexNormalInputs normInput = GetVertexNormalInputs(IN.normalOS, IN.tangentOS);
                  OUT.normalWS = normInput.normalWS;
                  OUT.tangentWS = float4(normInput.tangentWS, IN.tangentOS.w);
                  return OUT;
              }
              half4 frag(Varyings IN) : SV_Target {
                  float4 normalSample = tex2D(_NormalMap, IN.uv);
                  float3 tangentNormal = UnpackNormalScale(normalSample, _NormalScale);
                  float3 normalWS = IN.normalWS;
                  float3 tangentWS = IN.tangentWS.xyz;
                  float3 bitangentWS = cross(normalWS, tangentWS) * IN.tangentWS.w;
                  float3x3 TBN = float3x3(tangentWS, bitangentWS, normalWS);
                  float3 finalNormal = mul(tangentNormal, TBN);
                  Light mainLight = GetMainLight();
                  float NdotL = saturate(dot(finalNormal, mainLight.direction));
                  half3 albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv).rgb;
                  half3 diffuse = albedo * NdotL * mainLight.color;
                  return half4(diffuse, 1);
              }
              ENDHLSL
          }
      }
  }
  

数据结构定义

• Attributes结构体：声明顶点输入数据
• positionOS：模型空间顶点位置
• uv：纹理坐标
• normalOS：模型空间法线
• tangentOS：模型空间切线（含手性信息）
• Varyings结构体：定义顶点到片段的传递数据
• positionCS：裁剪空间位置
• normalWS：世界空间法线（通过URP内置函数转换）
• tangentWS：世界空间切线（保留手性分量）

顶点着色器实现

• 核心流程：
  • 调用GetVertexPositionInputs转换模型空间到裁剪空间
  • 通过GetVertexNormalInputs计算世界空间法线和切线
  • 保持原始UV坐标传递

片段着色器实现

• 法线贴图处理：
  • float4 normalSample = tex2D(_NormalMap, IN.uv); float3 tangentNormal = UnpackNormalScale(normalSample, _NormalScale);
  • 使用UnpackNormalScale函数解压法线贴图（范围从[0,1]映射到[-1,1]）并应用强度参数。
• TBN矩阵构建：
  • float3x3 TBN = float3x3(tangentWS, bitangentWS, normalWS); float3 finalNormal = mul(tangentNormal, TBN);
  • 通过切向量、副法线和法线构建正交基，将切线空间法线转换到世界空间。

光照计算：

• Light mainLight = GetMainLight(); float NdotL = saturate(dot(finalNormal, mainLight.direction)); half3 diffuse = albedo * NdotL * mainLight.color;
• 采用Lambert漫反射模型，计算法线与光源方向的点积作为光照强度因子。

关键函数说明

• GetVertexPositionInputs：URP内置函数，处理顶点位置变换
• UnpackNormalScale：URP提供的法线贴图解压函数
• GetMainLight：获取场景主光源信息（需配合URP的Lightweight Render Pipeline使用）

小结

• 坐标空间转换：完整实现模型空间→世界空间→切线空间的转换链
• 光照模型：基于物理的简单漫反射计算
• 性能优化：使用half类型减少内存占用，适合移动端
• 扩展性：通过_NormalScale参数可动态调整法线贴图强度

实际项目应用

• ‌角色模型‌：增强皮肤皱纹或服装褶皱细节
• ‌环境场景‌：表现砖墙缝隙或金属表面划痕
• ‌性能权衡‌：移动端建议使用Simple Lit简化版着色器

关键注意事项：

• 确保模型具有正确的UV和切线数据
• 避免sRGB模式导入法线贴图
• 多光源场景需在Shader中添加额外光照循环

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