凹凸纹理概念

news2024/11/15 15:49:44

1、凹凸纹理

纹理除了可以用来进行颜色映射外，另外一种常见的应用就是进行凹凸映射。凹凸映射的目的是使用一张纹理来修改模型表面的法线，让我们不需要增加顶点，而让模型看起来有凹凸效果。
原理：光照的计算都会利用法线参与计算，决定最终的颜色表现效果。那么在计算“假”凹凸面时，使用“真”凹凸面的法线参与计算，呈现出来的效果可以以假乱真

凹凸纹理最大的作用就是让模型可以在不添加顶点（不增加面）的情况下让模型看起来同样充满细节（凹凸感），是一种视觉上的“欺骗”技术。

要进行凹凸映射，目前有两种主流方式：高度纹理贴图，法线纹理贴图

2、高度纹理贴图

高度纹理贴图一般简称高度图，它存储了模型表面上每个点的高度信息。通常它使用灰度图像，其中不同灰度值表示不同高度。较亮区域通常对应较高的点，较暗的区域对应较低的点。它主要用于模拟物体表面的位移，类似于：

存储规则：图片中的某一个像素点的RGB值是相同的，都表示高度值，A值一般情况下为1。高度值范围一般为0~1，0代表最低，1代表最高
优点：可以通过高度图很明确的知道模型表面的凹凸情况
缺点：无法在Shader中直接得到模型表面点的法线信息，
而是需要通过额外的计算得到，因此会增加性能消耗，所以我们几乎很少使用它。
我们在使用凹凸纹理时，一般都会使用法线纹理贴图

3、法线纹理贴图

法线纹理贴图一般简称法线贴图或法线纹理，它存储了模型表面上每个点的法线方向。
存储规则：图片中的RGB值分别存储法线的X、Y、Z分量值，A值可以用于存储其他信息，
比如材质光滑度等。
优点：从法线贴图中取出的数据便是法线信息，可以直接
简单处理后就参与光照计算，性能表现更好
缺点：我们无法直观的看出模型表面的凹凸情况

3.1 法线纹理贴图读取分量数据的规则

由于法线XYZ分量范围在[-1,1]之间，而像素RGB分量范围在[0,1]之间，因此我们需要做一个映射计算：
存储图片时：像素分量 = (法线分量 + 1) / 2
因此当我们取出像素分量使用时需要进行逆运算
读取数据时：法线分量 = 像素分量 * 2 - 1

3.2 两种法线纹理贴图的存储方式

法线纹理贴图中主要存储法线信息，而法线信息其实就是个方向向量，而方向向量就得有相对坐标系
因此，法线贴图的存储方式按相对坐标系有两种方式：

基于模型空间的法线纹理
基于切线空间的法线纹理

3.2.1 基于模型空间的法线纹理

模型数据中自带的法线数据，是定义在模型空间中的，因此最直接的存储法线贴图数据的方式
就是存储基于模型空间下的法线信息。
注意：模型数据中的法线数据是“真”数据，法线贴图中对的法线数据是“假”数据

由于模型空间中每个点存储的法线方向是各式各样的，比如：
法线（0,1,0）映射到像素后(法线分量 + 1) / 2 是 (0.5,1.0.5) 绿色
法线（0,-1,0）映射到像素后(法线分量 + 1) / 2 是 (0.5,0,0.5) 紫色
因此基于模型空间的法线纹理一般是五颜六色的，这种法线纹理贴图数据取出来直接参与Shader计算即可

3.2.2 基于切线空间的法线纹理

虽然基于模型空间的法线纹理贴图看起来很符合计算需求，但是在实际开发时，美术同学给到我们的法线贴图一般都是基于切线空间的。

原点：顶点本身
X轴：顶点切线
Z轴：法线方向（顶点的原法线）
Y轴：X和Z的叉乘结果，也被称为副切线

切线空间下的法线纹理贴图是蓝色的原因是，在切线空间下，如果该顶点的法线不变化（不需要“凹凸感”）那么它的坐标是(0,0,1)，因为在切线空间下，Z轴就是原法线方向，因此：
法线（0,0,1）映射到像素后(法线分量 + 1) / 2 是 (0.5,0.5,1) 浅蓝色，这个浅蓝色就是切线空间下法线贴图存在大片蓝色的原因，因为大部分顶点的法线和模型本身法线是一致的，只有凹凸部分的颜色才会有些许差异。这种法线纹理贴图数据取出来后需要进行坐标空间转换再参与Shader计算。