unity3d 凹凸贴图、法线贴图、置换贴图 （一）
本文转自http://www.unitymanual.com/forum.php?mod=viewthread&tid=5895
首先我想说，对于凹凸贴图在计算机图形领域中的研究，最早开始于70年代末，至今已经有接近30年历史了。NormalMap只是一种目前很流行的凹凸贴图技术，而这里将会介绍一些目前游戏和在XBOX360和PlayStation3这种新世代主机上将会运用的凹凸贴图技术。
BumpMapping 凹凸贴图
做过CG的朋友一定比 FXCarl还要更早的认识BumpMap。这种贴图是一种灰度图，用表面上灰度的变化来描述目标表面的凹凸，因此这种贴图是黑白的，如果节省空间的画，甚至可以把贴图的Alpha通道征用来用作Bump。值得注意的是，这种贴图表面上存储的东西是高度域－－即每个点和原始表面的高度差，记住，每个点的颜色不是色彩，是高度，一个数值！因此，对这个贴图做任何的操作都会影响到这个物体3d的外观质感。不能凭感觉用事。
在游戏中，所使用的算法确切的说应该叫做fake bump mapping ，假凹凸贴图。因为在游戏中BumpMap并没有改变物体的表面而只是影响光照的结果，欺骗眼睛而已。最简单的做法是，直接把BumpMap叠加在已经渲染好的表面上，造成亮度上的扰动，从而让人以为是凹凸的－－这个很容易理解，把一面白色的墙面有技巧的部分划成灰色就会变成蚀痕，这些诸位会比小的更擅长。而计算复杂度是基本加减法。这个所谓的 FakeBumpMapping 从Geforce2就开始硬件支持，但是从来没有大范围的应用过。
不过有趣的是，BumpMap这个东西却从未过时，在后来的渲染算法中，其储存表面高度域的特性仍然发挥着巨大的作用。我们后文再提
NormalMapping 法线贴图
NormalMapping在游戏领域中的实践是一个非常值得记住的时期－－Geforce3上市，GPU概念出现，硬件可编程流水线的出现（Shaders），NormalMapping是一种凹凸贴图技术，它的另外一个名字叫做Dot3 bump mapping。
用于实现它的控制纹理是一张叫做NormalMap的纹理，也是目前大家在讨论如何之作的那种。我们先说说这张叫做NormalMap的图。这张图中存储的东西是每个原始表面法线的迭代，说起来有点复杂，但是不难理解。举例说我们的说面，一般在游戏的3D模型上，表面法线就像是一根站立于桌面的钢笔，垂直向上。而NormalMap中存储的东西就是我们这支表示表面法线方向的钢笔所“应该”指向的方向－－比如说朝左边倾斜15度。
NormalMap有两种主要形式，一种叫做世界空间的NormalMap，一种叫做切空间的NormalMap。第一种在游戏中没有实用价值，我们说第二种，也就是大家最常见的一种。
那么，为什么我们看到的NormalMap会有这么奇怪的颜色呢？其实NormalMap和BumpMap一样，即它显示出来的颜色和它所起的作用是没有直接联系的。大家一定对空间坐标的概念非常熟悉了。在NormalMap的定义中，有一个事先的约定，这个约定就是－－原本表面的垂直方向，我们称为Z轴；而表面的UV坐标两个方向，分别对应X轴和Y轴。（确切的说，应该是称作切线和负法线，但是这两个东西和大家熟悉的UV坐标刚好重叠，所以就用大家更习惯的说法了）然后我们知道如果我们在XYZ轴上各取一个点，这个点的取值位置在-1到1之间，那么我们就可以得到一个指向任何方向的法线方向（不用多解释，大家知道法线是一个向量，向量有方向和长度两个概念，但是对法线来说，长度是不需要的）。但是，请大家注意，我们在描述色彩的时候，RGB三个通道的取值范围都是从零开始的。可是当我们尝试把一个任意的法线保存在一张纹理中的时候，会面临取负值的问题。因此我们要把法线做压缩。方法很简单，把XYZ每个轴上的法线投影长度进行N＋1/2的运算。这样就把所有的法线压缩到了0和1的范围里。然后我们把XYZ的方向分别存储在RGB三个通道中。似乎我们还没有说到关于为什么NormalMap会是蓝兮兮的原因是吧。那么现在就是公布结果的时候了！首先，我们知道如果在一个物体表面，法线垂直向上，那么它的 XYZ坐标是多少？是0,0,1对不对?然后我们把这个数字按照我们前面所说的压缩方法进行压缩，每个数字加1然后再除以2，那么我们得到的是 0.5,0.5,1对不对？好我们把它代入到RGB中，那么我们会得到128,128,255对不对？好了，试试看在调色板里的颜色吧！
P.S.现在FXCarl和你猜个谜，看看FXCarl说的对不对。现在我们在NormalMap上看见一个颜色，这个颜色是219,128,219。那么这个表面的法线方向是垂直向右偏45度。大家用MAX做一个NormalMap看看FXCarl说的对不对？
如果你还没有理解NormalMap的意思，或者说你有兴趣再深入了解一些，那么FXCarl再和你说的深入一些。不知道大家对于切空间的理解是什么？我们来个实验，找三支笔。然后其中两只笔在桌面放成互相成90度，笔尾接笔尾。最后我们把第三支笔，笔尖向上，笔尾和那两只桌面上的笔的笔尾叠在一个点上。注意看我们的三支笔！这三支笔就是这张桌面上这个点的切空间坐标了！大家一定想到了原来我们的NormalMap中存储的表面法线方向原来就是一个切空间向量啊，恩没错，就是切空间向量。但是似乎看起来切空间没什么作用是不是？呵呵，我们不妨把桌面换成一个篮球。记住，保持三支笔的互相关系，然后用三支笔并在一起的笔尾去接触篮球的表面。呵呵，发现了没有？切空间的优势在于，在任意表面上，切空间中的坐标都是有效的！也就是说始用切空间中的数据就可以做到和 3D模型的复杂度无关！你可以用在任意的表面，甚至这个表面一直在动也不会影响到NormalMap发挥作用，你说这个切空间是不是很有用呢？
让我们回到开头，大家就会发现，如果使用世界空间的NormalMap会有什么样的结果呢？嘿嘿那样会造成一个很尴尬的结果，比如说我们做了一个人物身上的 NormalMap，可是我们的场景中有两个一样的人物，但是他们的姿势和面对的角度都不一样。那么……My God ～肯定有一个人物的NormalMap是没法适用的！而用切空间的NormalMap就没有问题了。恩，不过这个大家可以放心，MAX或者Maya做出来的NormalMap都是切空间的NormalMap，证明的方法很简单……看看这张贴图是不是主要由蓝色构成的……
OK，下面是重头戏，告诉大家NormalMap是如何发生作用的。
使用NormalMap的先决条件－－逐像素着色。先来说一下传统着色，传统游戏使用的是一个Phong光照模型的简化版，甚至有游戏使用Ground模型。这两种算法的方式都是只对物体3D模型的顶点计算光照，而3D表面上的大面积区域则使用差值填充。逐像素着色是到了Shaders出现之后才有的，因此NormalMapping也是一个Shaders必须的算法。计算一个物体表面漫反射光照的公式是很简单的NdotL－－什么是NdotL，就是物体表面的法线和光照方向的点积。点积是一个线性代数的问题，美术朋友们可以不用深究，写成程序也很容易：Diffuse = saturate(Mul(Normal,Light));。想要简单的理解就是－－光线的方向矢量在法线矢量上的投影，然后这个投影的结果变成黑白中间的一个值。我们同样举个简单的例子，用两支笔放在桌面上，然后一支笔不动，令一支笔笔尾和第一支笔的笔尾相连，不动，然后以共同的笔尾做为圆心，移动笔。这时如果我们从一支笔尖往另外一支笔的笔杆上垂直拉一条线（一条垂线）就会看到这时移动后的一支笔在原本的笔杆所投影的长度（就是一支笔的笔尖连垂线到另一支笔的笔杆上的位置，这个位置沿着笔杆到共同笔尾的长度）会越来越短，当两支笔垂直的时候，投影的结果就是零－－没有光照贡献了。这个容易理解，当光线的方向和一个表面绝对平行的时候，这个表面就会再也接受不到光线了。现在我们引入NormalMap。这时我们的光照计算和以往有点不同，我们把表面的法线用NormalMap中存储的法线来替代。这样当我们在计算表面光照情况的时候，就会因为法线不断的变化而产生比原来丰富的多的明暗变化。
至于为什么会感觉出凹凸来这个就是人的眼睛自己骗自己了……其实那里本没有凹凸的，但是我们人眼睛太多管闲事了。就像Windows的按钮哪个纯平面的东西我们还以为是凸出来的呢。
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