【URP】Unity[法线贴图]原理与实践

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

Shader "Custom/NormalMapShader" {

Properties {

_MainTex("Albedo", 2D) = "white" {}

_NormalMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}

_NormalScale("Normal Scale", Range(0,2)) = 1

}

SubShader {

Tags { "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }

HLSLINCLUDE

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"

ENDHLSL

Pass {

HLSLPROGRAM

#pragma vertex vert

#pragma fragment frag

struct Attributes {

float4 positionOS : POSITION;

float2 uv : TEXCOORD0;

float3 normalOS : NORMAL;

float4 tangentOS : TANGENT;

};

struct Varyings {

float4 positionCS : SV_POSITION;

float2 uv : TEXCOORD0;

float3 normalWS : TEXCOORD1;

float4 tangentWS : TEXCOORD2;

};

sampler2D _MainTex;

sampler2D _NormalMap;

float _NormalScale;

Varyings vert(Attributes IN) {

Varyings OUT;

VertexPositionInputs posInput = GetVertexPositionInputs(IN.positionOS.xyz);

OUT.positionCS = posInput.positionCS;

OUT.uv = IN.uv;

VertexNormalInputs normInput = GetVertexNormalInputs(IN.normalOS, IN.tangentOS);

OUT.normalWS = normInput.normalWS;

OUT.tangentWS = float4(normInput.tangentWS, IN.tangentOS.w);

return OUT;

}

half4 frag(Varyings IN) : SV_Target {

float4 normalSample = tex2D(_NormalMap, IN.uv);

float3 tangentNormal = UnpackNormalScale(normalSample, _NormalScale);

float3 normalWS = IN.normalWS;

float3 tangentWS = IN.tangentWS.xyz;

float3 bitangentWS = cross(normalWS, tangentWS) * IN.tangentWS.w;

float3x3 TBN = float3x3(tangentWS, bitangentWS, normalWS);

float3 finalNormal = mul(tangentNormal, TBN);

Light mainLight = GetMainLight();

float NdotL = saturate(dot(finalNormal, mainLight.direction));

half3 albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv).rgb;

half3 diffuse = albedo * NdotL * mainLight.color;

return half4(diffuse, 1);

}

ENDHLSL

}

}

}

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