【Unity Shader入门精要第7章】基础纹理（一）

news2024/11/19 0:23:37

1. 纹理映射

每一张纹理可以看作拥有一个属于自己的2D坐标空间，其横轴用U表示，纵轴用V表示，因此也称为UV坐标空间。

UV空间的坐标范围为[0，0]到[1，1]，在Unity中，UV空间也是从左下到右上，即纹理的左下角对应的UV坐标为[0，0]，纹理右上角对应的UV坐标为[1，1]

在美术导出模型资源时，会通过UV展开将模型每个顶点对应的UV坐标存储到顶点信息中。渲染时通过顶点（或片元）的UV坐标映射到纹理上的某一点，这样就可以通过采样每一个顶点（或片元）对应的纹理上的颜色将纹理显示出来。

2. 纹理基础设置

以Unity 2021为例，一张纹理的Inspector面板大致如下
在这里插入图片描述
其中红框部分是本节主要关注的部分

Generate Mip Maps
- 勾选后会提前进行滤波，生成不同采样等级的Mip Map纹理
- 渲染时根据屏幕像素对应的纹理范围从对应等级的Mip Map纹理中进行采样
- 由于生成了新的纹理，因此会占用更多的内存空间
Wrap Mode
UV坐标空间自身的范围虽然只有0到1，但实际采样时，顶点映射的UV坐标可能超过这个范围，WrapMode属性决定了采样的UV坐标超过[0, 1]范围时的处理方式
- Repeat：重复采样，即超过范围时舍弃整数部分只按小数部分采样，比如（1.1, 1.2）实际会按照（0.1, 0.2）采样
- Clamp：超过[0, 1]的部分延用相应边缘的值（0或者1）
Filter Mode
决定纹理采样的滤波方式
- Point：就近点采样
- Bilinear：双线性插值
- Trilinear：三线性插值

关于MipMap和滤波的原理可以参照【Unity Shader入门精要第7章】基础纹理补充内容：MipMap原理

3. 在Shader中使用纹理

创建Chapter_7_BaseTexture_Mat 作为测试材质
创建Chapter_7_BaseTexture作为测试shader，并赋给Chapter_7_BaseTexture_Mat 材质
场景中创建胶囊体，将Chapter_7_BaseTexture_Mat 材质赋给胶囊体
场景中添加一盏平行光，并调整平行光角度

在Shader中，我们通过对纹理采样得到的颜色来代替之前固定的漫反射颜色，并在片元着色器中进行逐像素的光照计算，得到最终的效果：

在Properties中添加属性 _MainTex(“MainTex”, 2D) = “white”{} 用于设置纹理，此时选中胶囊体可在Inspector面板中看到如下纹理设置选项
- Tiling：平铺数量，可以理解为反向的缩放度，值越大单位空间平铺数量越多，相当于对纹理缩小，反之相当与放大
- Offset：偏移
在CG代码段中添加与属性同名的变量 _MainTex来使用面板中设置的纹理，其类型为 sampler2D
顶点着色器中输入的uv坐标是模型导出时顶点对应的uv坐标，为了能够得到正确的纹理采样结果，除了考虑顶点自身的uv坐标外，还需要考虑面板中对要采样的纹理设置的缩放和偏移，这部分信息可通过在Shader中声明 XXX_ST 的变量获得，其中XXX为纹理属性的名字，当前Shader中也就是 _MainTex_ST，该变量类型为float4，其中xy表示缩放，zw表示平移
通过 input.uv.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw 即可得到实际采样使用的uv坐标，也可以通过内置的TRANSFORM_TEX(_MainTex, input.uv)方法获得，此时引擎会自己使用名为 _MainTex_ST 的变量进行上述计算，因此即使使用内置方法计算uv也需要声明_ST变量
最后在着色器中通过 tex2D(_MainTex, i.uv) 方法即可对纹理进行采样获得颜色，我们以该颜色作为物体自身的漫反射颜色系数带入漫反射光照计算

Shader如下：

Shader "MyShader/Chapter_7/Chapter_7_BaseTexture"
{
    Properties
    {
        _MainTex("MainTex", 2D) = "white"{}
        _Specular("Specular", Color) = (1,1,1,1)
        _Gloss("Gloss", Range(1.0, 256.0)) = 10
    }
    
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
        
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"
            
            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };
            
            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 worldPos : TEXCOORD1;
                float3 worldNormal : TEXCOORD2;
            };
            
            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;
            fixed4 _Specular;
            half _Gloss;
            
            v2f vert(a2v i)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(i.vertex);
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, i.vertex);
                o.worldNormal = mul(i.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(i.uv, _MainTex);
                return o;
            }
            
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                fixed3 _ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
                
                float3 _worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                float3 _worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                fixed4 _albedo = tex2D(_MainTex, i.uv);
                fixed3 _diffuse = _LightColor0.rgb * _albedo.rgb * saturate(dot(_worldNormal, _worldLight));
                
                float3 _worldRefl = normalize(reflect(-_worldLight, _worldNormal));
                float3 _worldView = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos);
                fixed3 _specular = _LightColor0.rgb * _Specular.xyz * pow( saturate(dot(_worldRefl, _worldView)),_Gloss);
                
                return fixed4(_ambient + _diffuse + _specular, 1);
            }
            
            ENDCG
        }
    
    }

}