法線貼圖（Normal Mapping）是一種通過修改表面法線方向來模擬凹凸細節的紋理技術，無需增加模型幾何復雜度，顯著提升渲染效率同時保持視覺真實感。 解決的問題 ?性能優化?：用低多邊形模型配合法

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

法線貼圖（Normal Mapping）是一種通過修改表面法線方向來模擬凹凸細節的紋理技術，無需增加模型幾何復雜度，顯著提升渲染效率同時保持視覺真實感。

解決的問題

• ?性能優化?：用低多邊形模型配合法線貼圖替代高模，減少計算開銷
• ?細節增強?：通過RGB通道存儲法線方向，模擬表面凹凸、劃痕等微觀結構
• ?動態光照響應?：每個像素的法線獨立參與光照計算，實現更真實的明暗變化

歷史發展節點

• ?1998年?：首次由Crytek在游戲《Far Cry》中大規模應用
• ?2004年?：成為DirectX 9標準特性，進入主流游戲引擎
• ?2018年?：Unity URP管線整合法線貼圖標準化工作流，支持移動端優化
• ?2022年?：HLSL語法改進，分離紋理對象與采樣器聲明

生成與使用流程

生成方法

• ?高模烘焙?：通過ZBrush等工具將高模細節烘焙到低模法線貼圖
• ?程序生成?：Substance Designer等工具從高度圖轉換生成
• ?手動繪制?：Photoshop使用濾鏡生成基礎法線紋理

詳細存儲原理參看了解具體如何計算和存儲的。

URP實現步驟

• ?紋理導入?
  • 類型設為Default，勾選Bump Map自動切換模式
  • 壓縮格式推薦BC5 (DXT5nm)或BC7
• ?材質配置
  • Shader選擇：URP > Lit 或 Simple Lit
    法線貼圖拖拽至Normal Map插槽
    調整Normal Scale參數控制凹凸強度（0.5-1.5為常用范圍?
• ?Shader核心原理?
  • ?切線空間轉換?：通過TBN矩陣將法線從切線空間轉到世界空間
  • ?光照計算?：轉換后的法線與光源方向點積決定漫反射強度

完整示例代碼

以下URP Shader實現法線貼圖與基礎光照：

• ?頂點著色器?：計算世界空間法線和切線

• ?片段著色器?：采樣法線貼圖并通過TBN矩陣轉換

• ?光照模型?：采用Lambert漫反射計算

• 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
          }
      }
  }
  

數據結構定義

• Attributes結構體：聲明頂點輸入數據
• positionOS：模型空間頂點位置
• uv：紋理坐標
• normalOS：模型空間法線
• tangentOS：模型空間切線（含手性信息）
• Varyings結構體：定義頂點到片段的傳遞數據
• positionCS：裁剪空間位置
• normalWS：世界空間法線（通過URP內置函數轉換）
• tangentWS：世界空間切線（保留手性分量）

頂點著色器實現

• 核心流程：
  • 調用GetVertexPositionInputs轉換模型空間到裁剪空間
  • 通過GetVertexNormalInputs計算世界空間法線和切線
  • 保持原始UV坐標傳遞

片段著色器實現

• 法線貼圖處理：
  • float4 normalSample = tex2D(_NormalMap, IN.uv); float3 tangentNormal = UnpackNormalScale(normalSample, _NormalScale);
  • 使用UnpackNormalScale函數解壓法線貼圖（范圍從[0,1]映射到[-1,1]）并應用強度參數。
• TBN矩陣構建：
  • float3x3 TBN = float3x3(tangentWS, bitangentWS, normalWS); float3 finalNormal = mul(tangentNormal, TBN);
  • 通過切向量、副法線和法線構建正交基，將切線空間法線轉換到世界空間。

光照計算：

• Light mainLight = GetMainLight(); float NdotL = saturate(dot(finalNormal, mainLight.direction)); half3 diffuse = albedo * NdotL * mainLight.color;
• 采用Lambert漫反射模型，計算法線與光源方向的點積作為光照強度因子。

關鍵函數說明

• GetVertexPositionInputs：URP內置函數，處理頂點位置變換
• UnpackNormalScale：URP提供的法線貼圖解壓函數
• GetMainLight：獲取場景主光源信息（需配合URP的Lightweight Render Pipeline使用）

小結

• 坐標空間轉換：完整實現模型空間→世界空間→切線空間的轉換鏈
• 光照模型：基于物理的簡單漫反射計算
• 性能優化：使用half類型減少內存占用，適合移動端
• 擴展性：通過_NormalScale參數可動態調整法線貼圖強度

實際項目應用

• ?角色模型?：增強皮膚皺紋或服裝褶皺細節
• ?環境場景?：表現磚墻縫隙或金屬表面劃痕
• ?性能權衡?：移動端建議使用Simple Lit簡化版著色器

關鍵注意事項：

• 確保模型具有正確的UV和切線數據
• 避免sRGB模式導入法線貼圖
• 多光源場景需在Shader中添加額外光照循環

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【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達
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