US3S2L10——渐变纹理综合实现

渐变纹理综合实现

接下来将渐变纹理的映射实现融合到之前实现的法线纹理 Shader 内，
这里复用之前实现的 切线空间下的法线纹理 Shader

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Shader "TeachShader/Lesson51"
{
    Properties
    {
        _MainColor("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _MainTex("MainTex", 2D) = ""{}
        _BumpMap("BumpMap", 2D) = ""{}
        _BumpScale("BumpScale", Range(0, 1)) = 1
        _SpecularColor("SpecularColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _SpecularNum("SpecularNum", Range(0, 20)) = 18
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            struct v2f
            {
                float4 pos: SV_POSITION;
                //float2 uvTex: TEXCOORD0;
                //float2 uvBump: TEXCOORD1; //可以使用两个float2来分别存储主要纹理的uv和法线纹理的uv
                float4 uv: TEXCOORD0;       //可以使用一个float4来同时存储主要纹理的uv（xy存储）和法线纹理的uv（zw存储）
                float3 lightDir: TEXCOORD1; //相对于切线空间下的光的方向
                float3 viewDir: TEXCOORD2;  //相对于切线空间下的视角方向
            };

            float4 _MainColor;      //漫反射颜色
            sampler2D _MainTex;     //颜色纹理
            float4 _MainTex_ST;     //颜色纹理的缩放和平移
            sampler2D _BumpMap;     //法线纹理
            float4 _BumpMap_ST;     //法线纹理的缩放和平移
            float _BumpScale;       //凹凸程度
            float4 _SpecularColor;  //高光颜色
            fixed _SpecularNum;     //光泽度

            v2f vert (appdata_full v)
            {
                v2f data;
              
                data.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  //计算裁剪空间下顶点坐标
                // 分别计算主纹理和法线纹理的缩放平移
                data.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
                data.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;

                // 计算副切线
                float3 binormal = cross(normalize(v.tangent), normalize(v.normal)) * v.tangent.w;
                // 得到模型空间到切线空间的转换矩阵
                float3x3 rotation = float3x3(
                    v.tangent.xyz,  //切线
                    binormal,       //副切线
                    v.normal        //法线
                );
              
                data.lightDir = mul(rotation, ObjSpaceLightDir(v.vertex));   // 切线空间下的光的方向
                data.viewDir = mul(rotation, ObjSpaceViewDir(v.vertex));    // 切线空间下的视角方向

                return data;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float4 packedNormal = tex2D(_BumpMap, i.uv.zw);     // 获取法线纹理的颜色数据
                float3 tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);  // 将颜色数据逆运算并解压缩，得到切线空间下法线数据
                // 将法线数据的xy乘以凹凸系数，根据xy修正z，避免凹凸系数影响光照亮度
                tangentNormal.xy *= _BumpScale;                   
                tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));

                // 计算带纹理颜色的BlinnPhong光照计算，这里使用已经计算好的切线数据
                fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv.xy).rgb * _MainColor.rgb;  // 反射率

                // 漫反射光照计算：这里需要使用已经计算完毕的切线数据和光照方向，注意！这里的 tangentNormal 无需归一化
                fixed3 lambertColor = _LightColor0.rgb * albedo.rgb * max(0, dot(tangentNormal, normalize(i.lightDir)));
                // 高光反射光照计算：这里需要使用已经计算完毕的切线数据和光照方向
                float3 halfA = normalize(normalize(i.viewDir) + normalize(i.lightDir));     // 半角向量
                fixed3 specularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(max(0, dot(tangentNormal, halfA)), _SpecularNum);
                // 最终颜色计算
                fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * albedo + lambertColor + specularColor;

                return fixed4(color.rgb, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

然后，修改上述代码的实现，将渐变纹理贴图计算融合到其中

关键点：将原本的兰伯特光照模型修改为渐变纹理的计算方式（半兰伯特光照模型映射渐变纹理颜色）

因此，属性需要添加渐变纹理 _RampTex​：

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Properties
{
    _MainColor("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
    _MainTex("MainTex", 2D) = ""{}
    _BumpMap("BumpMap", 2D) = ""{}
    _BumpScale("BumpScale", Range(0, 1)) = 1
    _RampTex("_RampTex", 2D) = ""{}
    _SpecularColor("SpecularColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
    _SpecularNum("SpecularNum", Range(0, 20)) = 18
}

同时，片元着色器的漫反射计算部分也要修改为：

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struct v2f
{
    float4 pos: SV_POSITION;
    float4 uv: TEXCOORD0;       //可以使用一个float4来同时存储主要纹理的uv（xy存储）和法线纹理的uv（zw存储）
    float3 lightDir: TEXCOORD1; //相对于切线空间下的光的方向
    float3 viewDir: TEXCOORD2;  //相对于切线空间下的视角方向
};

float4 _MainColor;      //漫反射颜色
sampler2D _MainTex;     //颜色纹理
float4 _MainTex_ST;     //颜色纹理的缩放和平移
sampler2D _BumpMap;     //法线纹理
float4 _BumpMap_ST;     //法线纹理的缩放和平移
sampler2D _RampTex;     //渐变纹理
float4 _RampTex_ST;     //渐变纹理的缩放和平移（很少使用）
float _BumpScale;       //凹凸程度
float4 _SpecularColor;  //高光颜色
fixed _SpecularNum;     //光泽度

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    float4 packedNormal = tex2D(_BumpMap, i.uv.zw);     // 获取法线纹理的颜色数据
    float3 tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);  // 将颜色数据逆运算并解压缩，得到切线空间下法线数据
    // 将法线数据的xy乘以凹凸系数，根据xy修正z，避免凹凸系数影响光照亮度
    tangentNormal.xy *= _BumpScale;                 
    tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));

    // 计算带纹理颜色的BlinnPhong光照计算，这里使用已经计算好的切线数据
    fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv.xy).rgb * _MainColor.rgb;  // 反射率

    // 漫反射光照计算：使用已经计算完毕的切线数据和光照方向，结合渐变纹理，先计算渐变纹理的uv坐标，再计算漫反射颜色
    fixed halfLambertNum = dot(tangentNormal, normalize(i.lightDir)) * 0.5 + 0.5;
    fixed3 diffuseColor = _LightColor0.rgb * albedo.rgb * tex2D(_RampTex, fixed2(halfLambertNum, halfLambertNum)).rgb;
    // 高光反射光照计算：这里需要使用已经计算完毕的切线数据和光照方向
    float3 halfA = normalize(normalize(i.viewDir) + normalize(i.lightDir));     // 半角向量
    fixed3 specularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(max(0, dot(tangentNormal, halfA)), _SpecularNum);
    // 最终颜色计算
    fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * albedo + diffuseColor + specularColor;

    return fixed4(color.rgb, 1);
}

完整 Shader 代码如下：

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Shader "TeachShader/Lesson54"
{
    Properties
    {
        _MainColor("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _MainTex("MainTex", 2D) = ""{}
        _BumpMap("BumpMap", 2D) = ""{}
        _BumpScale("BumpScale", Range(0, 1)) = 1
        _RampTex("_RampTex", 2D) = ""{}
        _SpecularColor("SpecularColor", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _SpecularNum("SpecularNum", Range(0, 20)) = 18
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            struct v2f
            {
                float4 pos: SV_POSITION;
                float4 uv: TEXCOORD0;       //可以使用一个float4来同时存储主要纹理的uv（xy存储）和法线纹理的uv（zw存储）
                float3 lightDir: TEXCOORD1; //相对于切线空间下的光的方向
                float3 viewDir: TEXCOORD2;  //相对于切线空间下的视角方向
            };

            float4 _MainColor;      //漫反射颜色
            sampler2D _MainTex;     //颜色纹理
            float4 _MainTex_ST;     //颜色纹理的缩放和平移
            sampler2D _BumpMap;     //法线纹理
            float4 _BumpMap_ST;     //法线纹理的缩放和平移
            sampler2D _RampTex;      //渐变纹理
            float4 _RampTex_ST;     //渐变纹理的缩放和平移（很少使用）
            float _BumpScale;       //凹凸程度
            float4 _SpecularColor;  //高光颜色
            fixed _SpecularNum;     //光泽度

            v2f vert (appdata_full v)
            {
                v2f data;
              
                data.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  //计算裁剪空间下顶点坐标
                // 分别计算主纹理和法线纹理的缩放平移
                data.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
                data.uv.zw = v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;

                // 计算副切线
                float3 binormal = cross(normalize(v.tangent), normalize(v.normal)) * v.tangent.w;
                // 得到模型空间到切线空间的转换矩阵
                float3x3 rotation = float3x3(
                    v.tangent.xyz,  //切线
                    binormal,       //副切线
                    v.normal        //法线
                );
              
                data.lightDir = mul(rotation, ObjSpaceLightDir(v.vertex));   // 切线空间下的光的方向
                data.viewDir = mul(rotation, ObjSpaceViewDir(v.vertex));    // 切线空间下的视角方向

                return data;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float4 packedNormal = tex2D(_BumpMap, i.uv.zw);     // 获取法线纹理的颜色数据
                float3 tangentNormal = UnpackNormal(packedNormal);  // 将颜色数据逆运算并解压缩，得到切线空间下法线数据
                // 将法线数据的xy乘以凹凸系数，根据xy修正z，避免凹凸系数影响光照亮度
                tangentNormal.xy *= _BumpScale;                   
                tangentNormal.z = sqrt(1.0 - saturate(dot(tangentNormal.xy, tangentNormal.xy)));

                // 计算带纹理颜色的BlinnPhong光照计算，这里使用已经计算好的切线数据
                fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv.xy).rgb * _MainColor.rgb;  // 反射率

                // 漫反射光照计算：使用已经计算完毕的切线数据和光照方向，结合渐变纹理，先计算渐变纹理的uv坐标，再计算漫反射颜色
                fixed halfLambertNum = dot(tangentNormal, normalize(i.lightDir)) * 0.5 + 0.5;
                fixed3 diffuseColor = _LightColor0.rgb * albedo.rgb * tex2D(_RampTex, fixed2(halfLambertNum, halfLambertNum)).rgb;
                // 高光反射光照计算：这里需要使用已经计算完毕的切线数据和光照方向
                float3 halfA = normalize(normalize(i.viewDir) + normalize(i.lightDir));     // 半角向量
                fixed3 specularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(max(0, dot(tangentNormal, halfA)), _SpecularNum);
                // 最终颜色计算
                fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * albedo + diffuseColor + specularColor;

                return fixed4(color.rgb, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

显示效果（左侧直接使用BlinnPhong光照模型，右侧在BlinnPhong光照模型的基础上半兰伯特光照计算漫反射并使用渐变贴图）：

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可见，左侧的明暗变化更平滑，较为拟真，而右侧更明暗界线分明一些，更加卡通化