图形API学习工程（25）：实现法线贴图

本文主要是介绍图形API学习工程（25）：实现法线贴图，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

工程GIT地址：https://gitee.com/yaksue/yaksue-graphics

目标

在《图形API学习工程（10）：基础光照》中，我实现了最基础的光照，同时也表现了法线的作用。
在《图形API学习工程（11）：使用纹理》中，工程已经能够加载纹理贴图。

这样，法线贴图 所需的准备已经完成，可以在工程里实现这个技术了。
（关于法线贴图的意义，可见上一篇博客《从“法线贴图的意义”到“切线空间公式的推导与验证”》的前半部分）

本篇将概括这项技术应用于当前工程的要点，并观察最后的效果。

0. 模型资源准备

模型来自@Yogensia的 Vorpal Blade ，贴图资源包括法线贴图。

许可类型：

我将其转为obj格式后，放入工程。

在一个简单的Diffuse光照模型下，效果如下（可以看到，其表面很“平”）：
在这里插入图片描述

此时的像素着色器代码：

//光线方向
float3 LightDir = lightDir.xyz;//光线点乘法线
float NdL = dot(normalize(input.Normal),normalize(LightDir));//将NdL限定在0到1
NdL = saturate(NdL);//颜色系数
float c = NdL * 0.7 + 0.3;return float4( c, c, c, 1.0 );

1. 将切线信息传入着色器

正如之前的博客所讨论的，法线贴图需要切线空间_{（如果是“模型空间”的法线贴图则不需要）}。

在工程中需要下面几步：

计算出顶点的切线数据
在 Input Assembler 阶段指定顶点输入的布局中有“切线”。
在着色器中添加切线的顶点输入

1.1 计算顶点的切线数据

计算的公式在《从“法线贴图的意义”到“切线空间公式的推导与验证”》中有完整的推导以及验证。

在当前工程中我创建了一个函数来做此运算：

void CalculateTangentSapce(float P0x, float P0y, float P0z,			//第0点位置float P1x, float P1y, float P1z,			//第0点位置float P2x, float P2y, float P2z,			//第0点位置float P0u, float P0v,						//第0点纹理UV	float P1u, float P1v,						//第1点纹理UV	float P2u, float P2v,						//第2点纹理UV	float& OutTx, float& OutTy, float& OutTz	//算出的切线方向
);

随后，在创建顶点属性信息之后调用它来计算切线。

1.2 顶点属性输入布局

由于在《图形API学习工程（15）：重构顶点数据相关代码，实现渲染多个mesh》中我已经做了相关的封装，所以这里只需要添加一行代码即可自动添加新的输入顶点属性输入布局：
在这里插入图片描述

1.3 着色器中添加切线的顶点输入

HLSL：
在这里插入图片描述
GLSL：

预览切线数据

作为预览，我在像素着色器中指定输出切线作为颜色

float4 Main( VS_OUTPUT input ) : SV_Target
{//输出切线作为颜色return float4( input.Tangent, 1.0 );
}

在这里插入图片描述

可以看到，切线是“不平滑的”，在三角面之间有数据的突变。（但是，这不一定表示有问题，本篇这个资源就没有问题）
它形成的原因有很多，比如：

一个共享边的两侧的面在纹理UV上并不连续，而且旋转的角度不同
三角面并不完全地经过刚体变换到纹理UV空间，或者说有“有变形”，比如下面这个曲面就不可能保证不变形：

2. 法线贴图映射

现在，在像素着色器中，法线将通过下面方式计算：

先从法线贴图中采样出向量
然后将0~1映射到-1~1（通过乘2减1）
从顶点数据中得到法线，切线，并叉乘出副法线
最后，算出法线的值

//切线空间的法线
float4 TangentNormal = ourTexture.Sample( ourSampler, input.TexCoord );
TangentNormal = TangentNormal * 2 - float4(1, 1, 1, 1);//切线空间三轴在模型空间的基向量：
float3 BaseN = normalize(input.Normal);
float3 BaseT = normalize(input.Tangent);
float3 BaseB = cross(BaseN,BaseT);//模型空间的法线方向：
NormalDir = BaseT*TangentNormal.x + BaseB*TangentNormal.y + BaseN*TangentNormal.z;