【URP】Unity[法线贴图]原理与实践

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

法线贴图（Normal Mapping）是一种通过修改表面法线方向来模拟凹凸细节的纹理技术，无需增加模型几何复杂度，显著提升渲染效率同时保持视觉真实感。
解决的问题

• ‌性能优化‌：用低多边形模型配合法线贴图替代高模，减少计算开销
  
• ‌细节增强‌：通过RGB通道存储法线方向，模拟表面凹凸、划痕等微观结构
  
• ‌动态光照响应‌：每个像素的法线独立参与光照计算，实现更真实的明暗变化
  

历史发展节点

• ‌1998年‌：首次由Crytek在游戏《Far Cry》中大规模应用
  
• ‌2004年‌：成为DirectX 9标准特性，进入主流游戏引擎
  
• ‌2018年‌：Unity URP管线整合法线贴图标准化工作流，支持移动端优化
  
• ‌2022年‌：HLSL语法改进，分离纹理对象与采样器声明
  

生成与使用流程

生成方法

• ‌高模烘焙‌：通过ZBrush等工具将高模细节烘焙到低模法线贴图
  
• ‌程序生成‌：Substance Designer等工具从高度图转换生成
  
• ‌手动绘制‌：Photoshop使用滤镜生成基础法线纹理
  

详细存储原理参看了解具体如何计算和存储的。
URP实现步骤

• ‌纹理导入‌
  
  
  
  • 类型设为Default，勾选Bump Map自动切换模式
    
  • 压缩格式推荐BC5 (DXT5nm)或BC7
    
  
  
• ‌材质配置
  
  
  
  • Shader选择：URP > Lit 或 Simple Lit
    法线贴图拖拽至Normal Map插槽
    调整Normal Scale参数控制凹凸强度（0.5-1.5为常用范围‌
    
  
  
• ‌Shader核心原理‌
  
  
  
  • ‌切线空间转换‌：通过TBN矩阵将法线从切线空间转到世界空间
    
  • ‌光照计算‌：转换后的法线与光源方向点积决定漫反射强度
    
  
  

完整示例代码

以下URP Shader实现法线贴图与基础光照：

• ‌顶点着色器‌：计算世界空间法线和切线
  
• ‌片段着色器‌：采样法线贴图并通过TBN矩阵转换
  
• ‌光照模型‌：采用Lambert漫反射计算
  
• NormalMapShader.shader
  1. Shader "Custom/NormalMapShader" {
  2.     Properties {
  3.         _MainTex("Albedo", 2D) = "white" {}
  4.         _NormalMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}
  5.         _NormalScale("Normal Scale", Range(0,2)) = 1
  6.     }
  7.     SubShader {
  8.         Tags { "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
  9.         HLSLINCLUDE
  10.         #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
  11.         ENDHLSL
  12.         Pass {
  13.             HLSLPROGRAM
  14.             #pragma vertex vert
  15.             #pragma fragment frag
  16.             struct Attributes {
  17.                 float4 positionOS : POSITION;
  18.                 float2 uv : TEXCOORD0;
  19.                 float3 normalOS : NORMAL;
  20.                 float4 tangentOS : TANGENT;
  21.             };
  22.             struct Varyings {
  23.                 float4 positionCS : SV_POSITION;
  24.                 float2 uv : TEXCOORD0;
  25.                 float3 normalWS : TEXCOORD1;
  26.                 float4 tangentWS : TEXCOORD2;
  27.             };
  28.             sampler2D _MainTex;
  29.             sampler2D _NormalMap;
  30.             float _NormalScale;
  31.             Varyings vert(Attributes IN) {
  32.                 Varyings OUT;
  33.                 VertexPositionInputs posInput = GetVertexPositionInputs(IN.positionOS.xyz);
  34.                 OUT.positionCS = posInput.positionCS;
  35.                 OUT.uv = IN.uv;
  36.                 VertexNormalInputs normInput = GetVertexNormalInputs(IN.normalOS, IN.tangentOS);
  37.                 OUT.normalWS = normInput.normalWS;
  38.                 OUT.tangentWS = float4(normInput.tangentWS, IN.tangentOS.w);
  39.                 return OUT;
  40.             }
  41.             half4 frag(Varyings IN) : SV_Target {
  42.                 float4 normalSample = tex2D(_NormalMap, IN.uv);
  43.                 float3 tangentNormal = UnpackNormalScale(normalSample, _NormalScale);
  44.                 float3 normalWS = IN.normalWS;
  45.                 float3 tangentWS = IN.tangentWS.xyz;
  46.                 float3 bitangentWS = cross(normalWS, tangentWS) * IN.tangentWS.w;
  47.                 float3x3 TBN = float3x3(tangentWS, bitangentWS, normalWS);
  48.                 float3 finalNormal = mul(tangentNormal, TBN);
  49.                 Light mainLight = GetMainLight();
  50.                 float NdotL = saturate(dot(finalNormal, mainLight.direction));
  51.                 half3 albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv).rgb;
  52.                 half3 diffuse = albedo * NdotL * mainLight.color;
  53.                 return half4(diffuse, 1);
  54.             }
  55.             ENDHLSL
  56.         }
  57.     }
  58. }

  复制代码

数据结构定义

• Attributes结构体：声明顶点输入数据
  
• positionOS：模型空间顶点位置
  
• uv：纹理坐标
  
• normalOS：模型空间法线
  
• tangentOS：模型空间切线（含手性信息）
  
• Varyings结构体：定义顶点到片段的传递数据
  
• positionCS：裁剪空间位置
  
• normalWS：世界空间法线（通过URP内置函数转换）
  
• tangentWS：世界空间切线（保留手性分量）
  

顶点着色器实现

• 核心流程：
  
  
  
  • 调用GetVertexPositionInputs转换模型空间到裁剪空间
    
  • 通过GetVertexNormalInputs计算世界空间法线和切线
    
  • 保持原始UV坐标传递
    
  
  

片段着色器实现

• 法线贴图处理：
  
  
  
  • float4 normalSample = tex2D(_NormalMap, IN.uv); float3 tangentNormal = UnpackNormalScale(normalSample, _NormalScale);
    
  • 使用UnpackNormalScale函数解压法线贴图（范围从[0,1]映射到[-1,1]）并应用强度参数。
    
  
  
• TBN矩阵构建：
  
  
  
  • float3x3 TBN = float3x3(tangentWS, bitangentWS, normalWS); float3 finalNormal = mul(tangentNormal, TBN);
    
  • 通过切向量、副法线和法线构建正交基，将切线空间法线转换到世界空间。
    
  
  

光照计算：

• Light mainLight = GetMainLight(); float NdotL = saturate(dot(finalNormal, mainLight.direction)); half3 diffuse = albedo * NdotL * mainLight.color;
  
• 采用Lambert漫反射模型，计算法线与光源方向的点积作为光照强度因子。
  

关键函数说明

• GetVertexPositionInputs：URP内置函数，处理顶点位置变换
  
• UnpackNormalScale：URP提供的法线贴图解压函数
  
• GetMainLight：获取场景主光源信息（需配合URP的Lightweight Render Pipeline使用）
  

小结

• 坐标空间转换：完整实现模型空间→世界空间→切线空间的转换链
  
• 光照模型：基于物理的简单漫反射计算
  
• 性能优化：使用half类型减少内存占用，适合移动端
  
• 扩展性：通过_NormalScale参数可动态调整法线贴图强度
  

实际项目应用

• ‌角色模型‌：增强皮肤皱纹或服装褶皱细节
  
• ‌环境场景‌：表现砖墙缝隙或金属表面划痕
  
• ‌性能权衡‌：移动端建议使用Simple Lit简化版着色器
  

关键注意事项：

• 确保模型具有正确的UV和切线数据
  
• 避免sRGB模式导入法线贴图
  
• 多光源场景需在Shader中添加额外光照循环
  

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