Unity[法线贴图]原理与实践

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
复制代码
|------------------------------------------------------------------------------------|
| 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