在实时渲染领域，法线贴图技术是增强模型表面细节的关键手段。Unity URP（Universal Render Pipeline）中的ShaderGraph工具集提供了丰富的节点系统，其中NormalFromHeight节点作为核心组件，能够高效地将一维高度信息转换为三维法线向量，为程序化材质生成和动态表面效果奠定技术基础。
节点功能概述
高度转法线原理
NormalFromHeight节点的核心机制基于表面梯度的数学推导。在计算机图形学中，表面法线可通过高度场的偏导数计算得出。给定高度函数 ( h(x, y) )，法线向量 ( \mathbf{n} ) 可表示为：
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> [ n = normalize ( − ∂ h ∂ x , − ∂ h ∂ y , 1 ) ] [ \mathbf{n} = \text{normalize}\left( -\frac{\partial h}{\partial x},\ -\frac{\partial h}{\partial y},\ 1 \right) ] </math>[n=normalize(−∂x∂h, −∂y∂h, 1)]
该公式的物理意义在于，法线方向垂直于表面坡度方向------即高度变化率最大的方向。节点内部采用有限差分方法近似计算偏导数，确保生成的法线符合物理规律。
双空间输出支持
节点支持Tangent（切线空间）和World（世界空间）两种坐标空间输出模式，以适应不同的渲染需求：
- 切线空间法线：相对于物体表面自身坐标系，适用于可变形物体或需要动态更新法线的场景。在物体移动或旋转时，切线空间法线无需重新计算，具备良好的通用性。
- 世界空间法线：相对于全局世界坐标系，适用于静态物体或需直接参与世界空间光照计算的场景，可简化光照模型的实现。
强度参数控制
通过Strength参数控制生成法线的凹凸强度，参数单位为真实世界尺度，推荐取值范围为0至0.1。较小的值产生细微的表面起伏，较大的值则形成明显的凹凸结构，需根据具体场景尺寸和视觉效果进行精细调节。
端口与参数详解
输入端口配置
- In端口：接收Float类型的高度值输入，通常来源于灰度纹理、程序化噪声函数或其他计算节点的输出。
- Strength端口：控制法线凹凸强度的浮点参数，直接影响法线向量的变化幅度。
输出端口特性
Out端口输出Vector 3类型的法线向量，三个分量分别对应法线在三维空间中的X、Y、Z方向。具体数值范围与所选坐标空间相关：切线空间下分量通常在[-1,1]之间，世界空间下则直接表示世界坐标系中的方向向量。
控件参数解析
Output Space下拉菜单提供Tangent与World两种空间选项，用户可根据物体类型和渲染需求灵活选择。
数学原理与算法实现
高度场与法线关系
法线生成的核心数学原理基于高度场梯度计算。高度场可视为二维函数 ( h(x, y) )，法线向量通过计算高度场的梯度获得，公式如前所述。
偏导数计算
在片段着色器中，偏导数 ( \frac{\partial h}{\partial x} ) 和 ( \frac{\partial h}{\partial y} ) 通过HLSL内置函数ddx和ddy实现。ddx计算当前片段与右侧片段的差值，ddy计算当前片段与下方片段的差值，这种有限差分方法为实时图形提供了高效且足够精确的梯度近似。
坐标空间变换
节点内部涉及复杂的空间变换计算。在切线空间模式下，算法通过TangentMatrix（切线矩阵）将世界空间的位置与法线信息转换至切线空间，确保法线方向与表面几何一致。
实际应用场景
程序化地形生成
在程序化地形系统中，NormalFromHeight节点可根据高度图实时生成精确法线，无需预计算法线贴图。结合Unity地形工具，可高效创建具有丰富细节的自然景观。
动态表面效果
该节点适用于模拟动态变化的表面效果，如水面波纹、熔岩流动或沙丘迁移。通过随时间变化的高度输入，可生成生动的动态法线，增强场景真实感。
材质细节增强
通过在基础材质上叠加由高度生成的法线细节，可显著提升表面质感，特别适用于：
- 为平坦表面添加微观凹凸结构
- 在低模表面模拟高精度细节
- 实现磨损、腐蚀等老化效果
节点连接与工作流程
输入源配置
高度输入源可多样化配置，常见选项包括：
- 纹理采样：通过Texture 2D节点读取灰度高度图，配合Sampler State与Tiling And Offset节点优化纹理使用。
- 程序化噪声：使用Simple Noise、Voronoi或Gradient Noise节点生成高度图案。
- 数学函数：结合Sine、Cosine等周期函数与运算节点，构建复杂高度场。
强度参数优化
Strength参数设置需综合考虑场景尺度与视觉效果：
- 场景适配：大型场景建议0.01--0.03，中型物体0.03--0.06，小型细节0.06--0.1。
- 效果平衡：细微纹理使用0.01--0.03，明显凹凸0.04--0.07，强烈变形0.08--0.1。
输出处理与集成
生成的法线需正确集成至渲染管线：
- 法线混合：使用Normal Blend、Normal Strength等节点混合与调整多法线源。
- 光照集成：将法线输入至光照模型，确保在正确的坐标空间中参与漫反射、高光等计算。
性能优化与最佳实践
计算精度控制
在性能敏感平台（如移动设备），需平衡计算精度与渲染开销：
- 降低计算精度或使用近似算法
- 通过LOD系统动态调整计算复杂度
纹理优化
使用纹理作为高度输入时，优化策略包括：
- 纹理压缩：采用BC4/BC5格式压缩高度图，合理设置mipmap。
- 采样优化：减少冗余采样，利用硬件特性优化梯度计算。
参数调优指南
基于项目经验，参数调优建议：
- Strength参数：从0.01起步逐步增加，结合光照条件与观察距离调整。
- 输入信号处理：对高度值进行Clamp或Smoothstep预处理，改善过渡效果。
高级应用技巧
多层高度混合
通过组合多个高度源，可构建复杂的表面结构：
- 权重混合：使用Lerp或Blend节点按权重混合不同高度层。
- 频率分离：叠加不同频率的噪声层，低频定义宏观形态，高频丰富微观细节。
动态效果集成
结合时间变量创建动态法线：
- 时间动画：使用Time节点驱动周期性变化，如Sine波形或循环Fraction动画。
- 交互响应：根据玩家位置或物理事件调整高度场，实现足迹、碰撞等实时变形效果。
性能监控与调试
在复杂场景中，需监控节点性能：
- 可视化调试：通过自定义着色器显示中间结果，颜色编码法线方向。
- 质量评估：在多设备、多分辨率下测试法线质量与性能表现。
常见问题与解决方案
法线失真处理
遇到法线失真（如条纹或斑块）时，可采取：
- 输入优化：确保高度值连续平滑，避免剧烈跳变，必要时使用滤波处理。
- 参数调整：降低Strength值，调节高度图对比度，或提升计算精度。
性能瓶颈分析
识别与解决性能问题：
- 计算负载：评估偏导数计算与向量运算的开销，优先简化高成本操作。
- 内存访问：优化纹理缓存使用，减少采样次数，或在适用时使用计算着色器替代片段着色器。
兼容性考虑
确保节点在多平台与渲染管线下稳定运行：
- 平台适配：考虑移动端精度限制，适配不同GPU架构。
- 管线集成：在URP中正确配置渲染特性，测试不同质量设置下的表现。
【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达 （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，🙏）