基于三平面映射的地形纹理化【Triplanar Mapping】

你可能遇到过这样的地形：悬崖陡峭的一侧的纹理拉伸得如此之大，以至于看起来不切实际。 也许你有一个程序化生成的世界，你无法对其进行 UV 展开和纹理处理。

推荐：用 NSDT编辑器 快速搭建可编程3D场景

三平面映射（Triplanar Mapping）提供了一种优雅的技术来解决这些问题，并为你提供来自任何角度或任何复杂形状的逼真纹理。 在本文中我们将了解该技术，查看代码，并了解使用三平面映射时的一些优点、缺点和其他可能性。

1、地形纹理化的UV问题

最常见的问题是纹理拉伸，尤其是在地形方面。 问题在于正在纹理化的对象的 UV 坐标。 对于地形，UV 坐标分布在网格中，在 X-Y 平面上均匀分布，如下所示：

上图中的UV 布局未考虑地形的高度差并导致拉伸。 你可以采取措施，通过仔细展开 UV 坐标来均匀陡峭多边形的区域，但这会导致结果不太理想。 你仍然有扭曲的纹理，并且一些图块（例如中间的图块）被压缩。

你也可能无法展开网格物体 UV 坐标：可以通过程序生成地形或形状。 也许你的形状中有一个洞穴系统或洞。

我们可以使用三平面映射技术（也称为“三平面纹理”）来解决这些问题。

2、基于Triplanar映射的地形纹理化

首先，让我们再次查看应用了三平面映射的地形：

使用三平面映射的地形

现在好多了！ 拉伸消失了，陡峭的斜坡看起来更加真实。

Triplanar映射通过在 3 个不同的方向（X、Y 和 Z 轴）上渲染纹理 3 次来实现此目的。 想象一个盒子。 首先，纹理从正 X 轴向下投影到负 X 轴。 面向 X 轴方向的任何片段（几何体的像素）都会应用纹理。 Y轴和Z轴也进行同样的处理。

这些渲染混合在一起。 因此，一半面向 X 轴、一半面向 Z 轴的片段将占用一半的 X 轴渲染和一半的 Z 轴渲染。 如果片段的 90% 面向 X 轴，则它会接收 90% 的 X 轴渲染，而仅接收 10% 的 Z 轴渲染。 就像拿3个喷雾罐，从顶部、侧面、正面喷射。

从 3 个角度投射的纹理

所有这些都是在材质的片段着色器中完成的。 它本质上对几何体进行 3 次纹理处理，每个方向一次，然后混合结果。

Triplanar映射根本不使用 UV 坐标。 相反，它使用实际的世界坐标。 知道了这一点，我们来看看代码。

第一部分计算每个方向的混合因子：

// in wNorm is the world-space normal of the fragment 
vec3 blending = abs( wNorm );
blending = normalize(max(blending, 0.00001)); // Force weights to sum to 1.0 
float b = (blending.x + blending.y + blending.z);
blending /= vec3(b, b, b);

这里它采用片段的世界空间法线（它将被标准化，并且每个分量将在 -1 和 1 的范围内），我们将其设为绝对值。 我们不关心法线是否面向 -X 或 X，只要它位于 X 轴即可。 如果我们确实担心绝对方向，我们就会从前、后、左、右、上、下绘制形状； 比我们需要的多3倍。

接下来我们强制它在 0 到 1 的范围内，因此我们最终得到每个轴分量的百分比乘数。 如果法线在 Y 轴上朝上，我们得到的 Y 值为 1，它会得到所有 Y 轴绘画，而其他轴的值为 0，不会得到任何结果。

这是最困难的部分。 接下来，我们将三个混合值 (x,y,z) 与该纹理坐标处的纹理混合。 请记住，纹理坐标位于世界空间中：

vec4 xaxis = texture2D( rockTexture, coords.yz);
vec4 yaxis = texture2D( rockTexture, coords.xz);
vec4 zaxis = texture2D( rockTexture, coords.xy);
// blend the results of the 3 planar projections. 
vec4 tex = xaxis * blending.x + xaxis * blending.y + zaxis * blending.z;

我们终于得到它了。 tex是片段的最终颜色，从 3 个轴混合 3 次。

将比例因子应用于纹理会非常方便，因为你无疑会想要缩放它：

// in float scale 
vec4 xaxis = texture2D( rockTexture, coords.yz * scale);
vec4 yaxis = texture2D( rockTexture, coords.xz * scale);
vec4 zaxis = texture2D( rockTexture, coords.xy * scale);
vec4 tex = xaxis * blending.x + xaxis * blending.y + zaxis * blending.z;

3、法线的处理方法

如果你使用三平面映射和法线贴图，还需要对片段着色器中的法线应用相同的过程，如下所示：

vec4 xaxis = texture2D( rockNormalTexture, coords.yz * scale);
vec4 yaxis = texture2D( rockNormalTexture, coords.xz * scale);
vec4 zaxis = texture2D( rockNormalTexture, coords.xy * scale);
vec4 tex = xaxis * blending.x + xaxis * blending.y + zaxis * blending.z;

小技巧：
可以创建 getTriPlanarBlend() 函数来计算漫反射、法线和镜面纹理的混合。

4、Triplanar映射的问题

你将遇到的第一个问题是性能。 几何体的片段将被渲染 3 次，每个方向一次。 这意味着颜色和照明计算（法线）将被重复然后混合。 如果已经有空闲帧问题，可能不想使用三平面映射。

下一个重大问题是 45 度角的混合，尤其是在使用纹理泼溅的地方不同纹理重叠的情况。 你可以从角点再执行 4 次渲染，但这样做所带来的性能损失可能不值得。 你可以尝试与深度图混合，这是一种有时用于纹理泼溅的技术。

可见的透明重叠

5、结束语

现在我们理解了三平面贴图的工作原理及其用途。 但它还有许多其他应用程序，可以稍微改变它以产生有趣的结果。

如前所述，程序化地形是该技术的良好候选者。 洞穴、悬崖和复杂的熔岩隧道现在很容易纹理化。 你甚至可以根据一些随机或伪随机（噪声）例程来影响使用的纹理。 标高甚至坡度可以决定使用什么纹理。

通过修改例程以仅从顶部（y 轴）投影纹理并将混合值牢固地限制在可接受的范围内，即 10%，那么你可以在场景中所有物体的顶部渲染雪。 使用相同的技术，原子爆炸可以烧焦从某个世界坐标原点辐射出的所有物体，但基于原点的角度并使用暗烧纹理。

---

原文链接：地形纹理Triplanar映射 — BimAnt