纹理

纹理就是使用一张图片来控制模型的外观。

使用纹理映射（texture mapping）技术，我们可以把一张图“黏”在模型表面，逐纹素（texel）（纹素的名字是为了和像素进行区分）地控制模型的颜色。

在美术人员建模的时候，通常会在建模软件中利用纹理展开技术把纹理映射坐标（texture-mapping coordinates）存储在每个顶点上。纹理映射坐标定义了该顶点在纹理中对应的2D坐标。通常，这些坐标使用一个**二维变量(u, v)**来表示，其中u是横向坐标，而v是纵向坐标。因此，纹理映射坐标也被称为UV坐标。

纹理的大小可以是多种多样的，如256×256或者1028×1028，但顶点UV坐标的范围通常都被归一化到[0, 1]范围内。

纹理采样时使用的纹理坐标不一定是在[0, 1]范围内。实际上，这种不在[0, 1]范围内的纹理坐标有时会非常有用。与之关系紧密的是纹理的平铺模式，它将决定渲染引擎在遇到不在[0, 1]范围内的纹理坐标时如何进行纹理采样。

单张纹理

使用一张纹理来代替物体的漫反射颜色：

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'Shader "Unlit/CH7-SingleTexture" {Properties {_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)// 2D是纹理属性的声明方式// 使用一个字符串后跟一个花括号作为它的初始值，"white"是内置纹理的名字，也就是一个全白的纹理。_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20}SubShader {Pass {Tags {// LightMode标签是Pass标签中的一种，它用于定义该Pass在Unity的光照流水线中的角色。"LightMode" = "ForwardBase"}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Lighting.cginc"fixed4 _Color;sampler2D _MainTex;// 纹理名_ST的方式来声明某个纹理的属性// ST是缩放（scale）和平移（translation）的缩写// _MainTex_ST可以让我们得到该纹理的缩放和平移（偏移）值// _MainTex_ST.xy存储的是缩放值// _MainTex_ST.zw存储的是偏移值float4 _MainTex_ST; fixed4 _Specular;float _Gloss;struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float4 texcoord : TEXCOORD0;    // 将模型的第一组纹理坐标存储到该变量中};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldPos : TEXCOORD1;float2 uv : TEXCOORD2;};v2f vert (a2v v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;o.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _Color.rgb;fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);fixed3 Specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);return fixed4(ambient + diffuse + Specular, 1.0);}ENDCG}}Fallback "Specular"
}

纹理的属性

Wrap Mode 属性

Repeat：如果纹理坐标超过了1，那么它的整数部分将会被舍弃，而直接使用小数部分进行采样，这样的结果是纹理将会不断重复

Clamp：如果纹理坐标大于1，那么将会截取到1，如果小于0，那么将会截取到0

上图展示了在纹理的平铺（Tiling）属性为(3, 3)时分别使用两种Wrap Mode的结果。
左图使用了Repeat模式，在这种模式下纹理将会不断重复；
右图使用了Clamp模式，在这种模式下超过范围的部分将会截取到边界值，形成一个条形结构。

上图展示了在纹理的偏移属性为(0.2, 0.6)时分别使用两种Wrap Mode的结果，左图使用了Repeat模式，右图使用了Clamp模式。

Filter Mode属性

Filter Mode属性决定了当纹理由于变换而产生拉伸时将会采用哪种滤波模式。

Filter Mode支持3种模式：Point，Bilinear以及Trilinear。
它们得到的图片滤波效果依次提升，但需要耗费的性能也依次增大。
纹理滤波会影响放大或缩小纹理时得到的图片质量。
例如，当我们把一张64×64大小的纹理贴在一个512×512大小的平面上时，就需要放大纹理。

纹理缩小的过程比放大更加复杂一些，此时原纹理中的多个像素将会对应一个目标像素。
纹理缩放更加复杂的原因在于我们往往需要处理抗锯齿问题，一个最常使用的方法就是使用多级渐远纹理（mipmapping）技术。
“mip”是拉丁文“multum in parvo”的缩写，它的意思是“在一个小空间中有许多东西”。

多级渐远纹理技术将原纹理提前用滤波处理来得到很多更小的图像，形成了一个图像金字塔，每一层都是对上一层图像降采样的结果。这样在实时运行时，就可以快速得到结果像素，例如当物体远离摄像机时，可以直接使用较小的纹理。但缺点是需要使用一定的空间用于存储这些多级渐远纹理，通常会多占用33%的内存空间。这是一种典型的用空间换取时间的方法。

在Unity中，我们可以在纹理导入面板中，首先将纹理类型（Texture Type）选择成Advanced，再勾选Generate Mip Maps即可开启多级渐远纹理技术。同时，我们还可以选择生成多级渐远纹理时是否使用线性空间（用于伽玛校正，详见18.4.2节）以及采用的滤波器等。

上图给出了从一个倾斜的角度观察一个网格结构的地板时，使用不同FilterMode（同时也使用了多级渐远纹理技术）得到的效果。

在内部实现上，Point模式使用了最近邻（nearest neighbor）滤波，在放大或缩小时，它的采样像素数目通常只有一个，因此图像会看起来有种像素风格的效果。
而Bilinear滤波则使用了线性滤波，对于每个目标像素，它会找到4个邻近像素，然后对它们进行线性插值混合后得到最终像素，因此图像看起来像被模糊了。
而Trilinear滤波几乎是和Bilinear一样的，只是Trilinear还会在多级渐远纹理之间进行混合。如果一张纹理没有使用多级渐远纹理技术，那么Trilinear得到的结果是和Bilinear就一样的。
通常，我们会选择Bilinear滤波模式。需要注意的是，有时我们不希望纹理看起来是模糊的，例如对于一些类似棋盘的纹理，我们希望它就是像素风的，这时我们可能会选择Point模式。

凹凸映射

纹理的另一种常见的应用就是凹凸映射（bump mapping）。

凹凸映射的目的是使用一张纹理来修改模型表面的法线，以便为模型提供更多的细节。

这种方法不会真的改变模型的顶点位置，只是让模型看起来好像是“凹凸不平”的，但可以从模型的轮廓处看出“破绽”。

有两种主要的方法可以用来进行凹凸映射：

使用一张高度纹理（height map）来模拟表面位移（displacement），然后得到一个修改后的法线值，这种方法也被称为高度映射（height mapping）
使用一张法线纹理（normal map）来直接存储表面法线，这种方法又被称为法线映射（normal mapping）

高度纹理

高度图中存储的是强度值（intensity），它用于表示模型表面局部的海拔高度。
颜色越浅表明该位置的表面越向外凸起，而颜色越深表明该位置越向里凹。

这种方法的好处是非常直观，我们可以从高度图中明确地知道一个模型表面的凹凸情况，但缺点是计算更加复杂，在实时计算时不能直接得到表面法线，而是需要由像素的灰度值计算而得，因此需要消耗更多的性能。

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