【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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（欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，
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