Unity Shader 法线贴图跟切线空间有什么关系

法线贴图与切线空间的关系，是 "存储空间" 与 "参考系" 的关系：法线贴图中的颜色信息，本质上描述的是在切线空间下的扰动法线方向。

为了让你在Shader中正确使用法线贴图，下面从"为什么需要切线空间"到"实际转换方法"逐步说明。

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一、法线贴图存储的是什么？

一张法线贴图中的每个像素（通常RGB通道）对应一个单位向量 的(x, y, z)分量。这个向量经过从[-1,1]到[0,1]的映射存储：

normal = (color.r * 2 - 1, color.g * 2 - 1, color.b * 2 - 1)

关键点： 这个 (x,y,z) 向量所在的坐标系并不是世界空间，也不是模型空间，而是切线空间 (Tangent Space)。

在切线空间中：

• Z 轴 (通常是蓝色通道)：表面的原始法线方向 (Normal)

• X 轴 (红色通道)：表面的切线方向 (Tangent)，即沿UV坐标U增加的方向

• Y 轴 (绿色通道)：表面的副切线方向 (Bitangent / Binormal)，由 Normal × Tangent 得出

因此，当一个法线贴图看起来"蓝紫色"时，表示大部分像素指向(0,0,1) → 即没有扰动，垂直于表面。

二、为什么要用切线空间？不能直接用模型空间法线贴图吗？

可以用模型空间的法线贴图，但切线空间有以下不可替代的优势：

特性	切线空间法线贴图	模型空间法线贴图
可复用性	可贴在任意相同UV布局的模型上（如不同姿势的角色、平铺贴花）	只能用于特定模型的静止姿势
可压缩性	Z值可推导 (sqrt(1 - x² - y²))，可只存储两通道	需要完整三通道
骨骼动画/变形	法线随表面变形自动正确（因为切线空间相对表面不变）	必须随顶点变形重新计算，无法直接使用
镜像纹理	支持（通过调整副切线方向）	不支持，镜像后法线朝向错误

因此，绝大多数现代游戏引擎（包括Unity）都默认使用切线空间法线贴图。

三、在Unity Shader中：如何从切线空间转换到世界空间？

因为光照计算需要在同一坐标系下进行（通常是世界空间 ），我们需要将法线贴图采样得到的方向，转换到世界空间。这需要用到 TBN 矩阵。

1. 建立切线空间的基向量

顶点着色器接收每个顶点的信息：

• normal (模型空间法线)

• tangent (模型空间切线，Unity中tangent.w 用于决定副切线的方向)

副切线 binormal 可以通过叉积计算，并统一方向：

float3 binormal = cross(normal, tangent.xyz) * tangent.w;

tangent.w 通常为 ±1，确保副切线的朝向与UV坐标的V方向一致。

2. 构建 TBN 矩阵

将这三个向量转换到世界空间（或视图空间，取决于你的光照模型）。最典型的做法：

// 在顶点着色器中计算世界空间的 TBN 矩阵的每一行（或者列，取决于乘法顺序）
float3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
float3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
float3 worldBinormal = cross(worldNormal, worldTangent) * v.tangent.w;

// 构建 3x3 矩阵，用于将切线空间向量转换到世界空间
float3x3 TBN = float3x3(worldTangent, worldBinormal, worldNormal);

3. 采样并转换法线

// 采样法线贴图（注意必须标记为 "UnpackNormal" 或使用 UnpackNormal函数）
float3 tangentNormal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, uv));

// 转换到世界空间
float3 worldNormal = normalize(mul(TBN, tangentNormal));

4. 也可以反过来：将光照方向转换到切线空间

这样做可以在顶点着色器完成矩阵乘法，减少像素着色器中的计算量。但通用性稍差，因为若涉及多光源、视线向量等，需要转换多个向量到切线空间，代码复杂度增加。现代Shader多用前一种方法。

四、特殊情况与注意事项

如果你在编写一个完整的Unity PBR Shader，通常会使用Unity的内置宏（如 TANGENT_SPACE_ROTATION）来简化这些步骤，但理解底层原理对调试和优化至关重要。

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总结

1. Unity内置函数简化操作

   Unity提供了 UnpackNormal() 函数，会根据平台设置自动解压法线（如某些平台DXT5nm格式的贴图）。推荐使用：

   float3 tangentNormal = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, uv));

2. 副切线的自动计算

   如果顶点没有提供副切线，可以在Shader中用 cross(normal, tangent.xyz) * tangent.w 实时计算。Unity的模型导入时会自动生成切线数据。

3. 法线贴图强度调节

   可以通过对采样得到的 tangentNormal 的 xy 分量乘以一个强度因子 (0,1]，再重新归一化，来实现法线强度控制。

4. 镜像UV的处理

   当模型的UV被镜像时，切线方向需要反转。Unity的 tangent.w 就是为此设计的：如果UV镜像，模型导出软件会设置 tangent.w = -1，确保副切线的朝向正确。

5. 关系核心 ：法线贴图存储了切线空间下的法线方向，而切线空间由顶点的切线、副切线和法线定义。

6. Shader中的任务：构建TBN矩阵（或它的逆），将法线贴图采样结果转换到世界空间（或将世界空间的光照方向转换到切线空间），从而参与BRDF光照计算。

7. 为什么要这么麻烦：因为只有使用切线空间，法线贴图才能被复用到不同姿势、不同模型，并正确响应动画和变形。