unity 适配_Unity常用矩阵运算的推导补遗——切线空间

作者：不正经 | 2024-05-31 01:49:13

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unity求某一空间点的切线

在上一篇文章中，我写了一些关于Unity中各个坐标空间及其转换矩阵是如何得到的，说实在的，我是那种“记忆需要依靠外部装置存储”类、如同《攻壳机动队》的电子脑一样的人，每次遇到问题了再去对着笔记慢慢翻找才是我的风格：

破晓：Unity中常用矩阵的推导zhuanlan.zhihu.com

在文章中我漏了一个本该提到的内容，那就是切线空间。

一般在法线贴图中，颜色都是偏蓝的，按照颜色空间和坐标空间的对应来看，z值一般都很大，大部分情况下，都是接近垂直于物体表面的。

如果是不需要法线贴图的情况下还好说，用NORMAL语义可以直接从顶点获得模型空间下的法线，如果要使用法线贴图？那就需要切线空间了。

常识告诉我们，构建一个空间笛卡尔直角坐标系需要三个互相垂直的基向量，而常识又告诉我们，两个向量的叉乘结果垂直于这两个向量构成的平面，故我们可以用两个向量完成切线空间的构建。

一个就是法线（Normal），一个是切线（Tangent），其叉乘结果为副切线（Bitangent）或者副法线（Binormal），这两种叫法我都看到过。以Unity官方的Shader例子举例：


v2f vert (float4 vertex : POSITION, float3 normal : NORMAL, float4 tangent : TANGENT, float2 uv : TEXCOORD0)
{
    v2f o;
    //...
    half3 wNormal = UnityObjectToWorldNormal(normal);
    half3 wTangent = UnityObjectToWorldDir(tangent.xyz);
    // 计算其方向
    half tangentSign = tangent.w * unity_WorldTransformParams.w;
    // 用世界空间下的法线、切线做叉乘，得到副法线
    half3 wBitangent = cross(wNormal, wTangent) * tangentSign;
    // 得到转换矩阵
    o.tspace0 = half3(wTangent.x, wBitangent.x, wNormal.x);
    o.tspace1 = half3(wTangent.y, wBitangent.y, wNormal.y);
    o.tspace2 = half3(wTangent.z, wBitangent.z, wNormal.z);
    //...
    return o;
}
 
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
    // 从法线贴图里采样并解码法线
    half3 tnormal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, i.uv));
    // 从切线空间转换到世界空间
    half3 worldNormal;
    worldNormal.x = dot(i.tspace0, tnormal);
    worldNormal.y = dot(i.tspace1, tnormal);
    worldNormal.z = dot(i.tspace2, tnormal);
    //...
}

众所周知，两个向量的叉乘不支持交换律，会因为顺序的不同而具备有两个方向的结果，而很多时候模型可能被缩放过，导致它是镜像的，为了避免该问题，使用这个Vector4向量unity_WorldTransformParams的w值来保证，如果模型被镜像偶数次，则w=1，反之则为-1。

这个矩阵一般被简称TBN矩阵，用于将切线空间向其他坐标空间转换，它需要使用到其他坐标空间下的法线和切线进行计算。

而Unity又在UnityCG.cginc里提供了这样一个宏：


// Declares 3x3 matrix 'rotation', filled with tangent space basis
#define TANGENT_SPACE_ROTATION 
    float3 binormal = cross( normalize(v.normal), normalize(v.tangent.xyz) ) * v.tangent.w; 
    float3x3 rotation = float3x3( v.tangent.xyz, binormal, v.normal )

这里居然直接用模型坐标空间的法线和切线在做叉乘？莫慌，看看其他地方都用它干了啥，哦，视差贴图啊？那没事了……

冯乐乐已经谈到过这件事情：

【常见问题】关于法线转换的问题（以及在切线空间下计算法线纹理的问题） · Issue #45 · candycat1992/Unity_Shaders_Bookgithub.com

这涉及到非标准缩放的问题——

这是因为Unity 5之前，如果我们对一个模型A进行了非统一缩放，Unity内部会重新在内存中创建一个新的模型B，模型B的大小和缩放后的A是一样的，但是它的缩放系数是统一缩放。换句话说，在Unity 5以前，实际上我们在Shader中根本不需要考虑模型的非统一缩放问题，因为在Shader阶段非统一缩放根本就不存在了。但从Unity 5以后，我们就需要考虑非统一缩放的问题了。

说了这么多介绍类的东西，还没说正题：那就是为什么左乘TBN矩阵可以把向量转换出去？

我们先把TBN矩阵的运算写一下：

这个形式相当于与形如

的向量做了点积，而

就是世界空间的基向量在切线空间的表示，因为

是

在世界空间下对

轴基向量的投影：

反过来，也可以认为是

轴基向量在切线空间基向量

轴上的投影，同理

和

也是如此。

对

做点积，就相当于把自己投影了过去，三个分量就是在世界坐标三个基向量上的投影长度，组合起来的新的向量，就是

在世界坐标空间下的表示。

谈到这个就不得不说我在头发渲染中犯下的问题了：

破晓：使用Kajiya-Kay模型的头发渲染zhuanlan.zhihu.com

此处做一个勘误。

当时我信誓旦旦地这么写：

一个是副切线的计算问题，不能直接用世界空间下的法线和切线cross，而是应当在模型空间cross好再转换：


o.tangent = mul(unity_ObjectToWorld, v.tangent);
o.normal = mul(unity_ObjectToWorld, v.normal);
o.bitangent = mul(unity_ObjectToWorld, cross(v.normal, v.tangent));
//错误写法：o.bitangent = cross(o.normal, o.tangent);

其实是错误的，因为本文提到过，叉乘结果是有两个方向的，我这边叉乘的顺序恰好得到的是相反的副切线，而当时数学不过关，大脑萎缩，一看副切线结果不同，想当然以为是没转换空间，正确的写法应是：


o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
o.tangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
o.bitangent = cross(v.normal, v.tangent) * v.tangent.w * unity_WorldTransformParams.w;

其次是使用副切线而不是切线的问题，这个是在Unity里材质预览窗看到的效果，在Preview窗口，切成Plane并输出tangent可以看到是红色的，是水平而非垂直方向的，所以高光偏移时要传入垂直方向上的副切线。

利用叉乘，同样还能从高度图中反推法线图：


fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
	float2 uvx0 = i.uv - float2(_MainTex_TexelSize.x, 0) * 0.5;
	float2 uvx1 = i.uv + float2(_MainTex_TexelSize.x, 0) * 0.5;
	float2 uvy0 = i.uv - float2(0, _MainTex_TexelSize.y) * 0.5;
	float2 uvy1 = i.uv + float2(0, _MainTex_TexelSize.y) * 0.5;
	float3 dx = float3(_MainTex_TexelSize.x,
		0,
		(1 - tex2D(_MainTex, uvx1).r) - (1 - tex2D(_MainTex, uvx0).r));
	float3 dy = float3(0,
		_MainTex_TexelSize.y,
		(1 - tex2D(_MainTex, uvy1).r) - (1 - tex2D(_MainTex, uvy0).r));
	float3 n = cross(dx, dy);
	n.z *= 10;//这里可以控制法线收束于z轴的程度
	float3 normal = normalize(n);
	normal = normal * 0.5 + 0.5;	
    return float4(normal, 1);
}

我们分别在UV的x和y方向上单独讨论，以x方向为例，我们可以得知在该点处的梯度向量形如

此处，高度上的插值反映在z轴上，因为切线空间又可以被认为是局部物体表面空间，xy平面被认为是uv，而z轴穿插入物体表面。

使用x和y方向单独计算出来的梯度向量，就能够得到法线方向了。但有一点需要注意的是，计算出来的法线需要手动调整收束程度以适配项目使用。比如想要更平缓的法线图，就需要收束法线到z轴上更多一点。

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