Unity3D 光照计算方向与法线贴图详解

在Unity3D中，光照计算方向与法线贴图是实现高质量光照效果的重要技术之一。本文将详细介绍光照计算方向与法线贴图的原理和实现方法，并给出相应的代码示例。

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一、光照计算方向

在Unity3D中，光照计算方向是指根据光源的位置和光照强度，计算出每个像素点的光照方向。通过光照计算方向，可以实现不同光源对物体的照明效果，让物体在不同光照条件下呈现出不同的明暗效果。

光照计算方向的原理是根据光源的位置和物体表面的法线向量，计算出光线与法线的夹角，进而确定光照方向。在Unity3D中，可以使用Shader来实现光照计算方向，下面是一个简单的Shader示例：

Shader "Custom/LightDirection"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _LightPos ("Light Position", Vector) = (0, 1, 0, 0)
    }
    
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" }
        
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert
        
        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
            float3 worldPos;
            float3 worldNormal;
        };
        
        sampler2D _MainTex;
        float4 _LightPos;
        
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            float3 lightDir = normalize(_LightPos - IN.worldPos);
            float diff = max(0, dot(IN.worldNormal, lightDir));
            o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb * diff;
        }
        ENDCG
    }
    
    FallBack "Diffuse"
}

在上面的Shader中，我们定义了一个光源的位置属性_LightPos，并在surf函数中计算出光照方向lightDir，并根据光照方向和法线向量计算出光照强度diff，最终将光照强度乘以纹理颜色作为物体的颜色输出。

二、法线贴图

法线贴图是一种用来模拟物体表面细节的技术，通过在物体表面上贴上法线贴图，可以让物体在渲染时呈现出更加真实的细节效果。在Unity3D中，法线贴图通常用来模拟表面的凹凸不平，比如褶皱、纹理等。

法线贴图的原理是在物体表面上存储法线向量信息，通过在像素着色器中根据法线贴图的信息计算出新的法线向量，从而影响光照效果。下面是一个简单的法线贴图Shader示例：

Shader "Custom/NormalMap"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _BumpMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {}
        _BumpScale ("Bump Scale", Range(0.01, 0.2)) = 0.1
    }
    
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" }
        
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert
        
        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
            float2 uv_BumpMap;
            float3 worldPos;
            float3 worldNormal;
        };
        
        sampler2D _MainTex;
        sampler2D _BumpMap;
        float _BumpScale;
        
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            float3 normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
            normal = normalize(normal * 2 - 1);
            o.Normal = normal;
            
            o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb;
        }
        ENDCG
    }
    
    FallBack "Diffuse"
}

在上面的Shader中，我们定义了一个法线贴图属性_BumpMap，并在surf函数中根据法线贴图的信息计算出新的法线向量normal，并将其赋值给SurfaceOutput结构体的Normal属性，从而影响光照效果。同时，我们还将法线贴图的颜色作为物体的颜色输出。

三、光照计算方向与法线贴图的结合

光照计算方向与法线贴图可以结合使用，实现更加逼真的光照效果。在Unity3D中，可以通过在Shader中同时实现光照计算方向和法线贴图，来使物体在不同光照条件下呈现出更加真实的细节效果。下面是一个结合光照计算方向和法线贴图的Shader示例：

Shader "Custom/LightAndNormalMap"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _BumpMap ("Normalmap", 2D) = "bump" {}
        _LightPos ("Light Position", Vector) = (0, 1, 0, 0)
    }
    
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" }
        
        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert
        
        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
            float2 uv_BumpMap;
            float3 worldPos;
            float3 worldNormal;
        };
        
        sampler2D _MainTex;
        sampler2D _BumpMap;
        float4 _LightPos;
        
        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            float3 normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
            normal = normalize(normal * 2 - 1);
            
            float3 lightDir = normalize(_LightPos - IN.worldPos);
            float diff = max(0, dot(normal, lightDir));
            
            o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb * diff;
        }
        ENDCG
    }
    
    FallBack "Diffuse"
}

在上面的Shader中，我们同时定义了光源的位置属性_LightPos和法线贴图属性_BumpMap，并在surf函数中同时计算出光照方向和新的法线向量，从而实现了光照计算方向和法线贴图的结合效果。

总结

光照计算方向与法线贴图是Unity3D中实现高质量光照效果的重要技术之一。通过合理地使用光照计算方向和法线贴图，可以让物体在不同光照条件下呈现出更加真实的细节效果，提升游戏的视觉质量。开发者可以根据项目需求，灵活地使用光照计算方向和法线贴图，来实现更加逼真的光照效果。