【Unity Shader入门精要 第7章】基础纹理（一）

1. 纹理映射

每一张纹理可以看作拥有一个属于自己的2D坐标空间，其横轴用U表示，纵轴用V表示，因此也称为UV坐标空间。

UV空间的坐标范围为[0，0]到[1，1]，在Unity中，UV空间也是从左下到右上，即纹理的左下角对应的UV坐标为[0，0]，纹理右上角对应的UV坐标为[1，1]

在美术导出模型资源时，会通过UV展开将模型每个顶点对应的UV坐标存储到顶点信息中。渲染时通过顶点（或片元）的UV坐标映射到纹理上的某一点，这样就可以通过采样每一个顶点（或片元）对应的纹理上的颜色将纹理显示出来。

2. 纹理基础设置

以Unity 2021为例，一张纹理的Inspector面板大致如下

其中红框部分是本节主要关注的部分

• Generate Mip Maps

  • 勾选后会提前进行滤波，生成不同采样等级的Mip Map纹理
  • 渲染时根据屏幕像素对应的纹理范围从对应等级的Mip Map纹理中进行采样
  • 由于生成了新的纹理，因此会占用更多的内存空间

• Wrap Mode
  UV坐标空间自身的范围虽然只有0到1，但实际采样时，顶点映射的UV坐标可能超过这个范围，WrapMode属性决定了采样的UV坐标超过[0, 1]范围时的处理方式

  • Repeat：重复采样，即超过范围时舍弃整数部分只按小数部分采样，比如（1.1, 1.2）实际会按照（0.1, 0.2）采样
  • Clamp：超过[0, 1]的部分延用相应边缘的值（0或者1）

• Filter Mode
  决定纹理采样的滤波方式

  • Point：就近点采样
  • Bilinear：双线性插值
  • Trilinear：三线性插值

关于MipMap和滤波的原理可以参照【Unity Shader入门精要 第7章】基础纹理补充内容：MipMap原理

3. 在Shader中使用纹理

• 创建Chapter_7_BaseTexture_Mat 作为测试材质
• 创建Chapter_7_BaseTexture作为测试shader，并赋给Chapter_7_BaseTexture_Mat 材质
• 场景中创建胶囊体，将Chapter_7_BaseTexture_Mat 材质赋给胶囊体
• 场景中添加一盏平行光，并调整平行光角度

在Shader中，我们通过对纹理采样得到的颜色来代替之前固定的漫反射颜色，并在片元着色器中进行逐像素的光照计算，得到最终的效果：

• 在Properties中添加属性 _MainTex(“MainTex”, 2D) = “white”{} 用于设置纹理，此时选中胶囊体可在Inspector面板中看到如下纹理设置选项
  
  • Tiling：平铺数量，可以理解为反向的缩放度，值越大单位空间平铺数量越多，相当于对纹理缩小，反之相当与放大
  • Offset：偏移
• 在CG代码段中添加与属性同名的变量 _MainTex来使用面板中设置的纹理，其类型为 sampler2D
• 顶点着色器中输入的uv坐标是模型导出时顶点对应的uv坐标，为了能够得到正确的纹理采样结果，除了考虑顶点自身的uv坐标外，还需要考虑面板中对要采样的纹理设置的缩放和偏移，这部分信息可通过在Shader中声明 XXX_ST 的变量获得，其中XXX为纹理属性的名字，当前Shader中也就是 _MainTex_ST，该变量类型为float4，其中xy表示缩放，zw表示平移
• 通过 input.uv.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw 即可得到实际采样使用的uv坐标，也可以通过内置的TRANSFORM_TEX(_MainTex, input.uv)方法获得，此时引擎会自己使用名为 _MainTex_ST 的变量进行上述计算，因此即使使用内置方法计算uv也需要声明_ST变量
• 最后在着色器中通过 tex2D(_MainTex, i.uv) 方法即可对纹理进行采样获得颜色，我们以该颜色作为物体自身的漫反射颜色系数带入漫反射光照计算

Shader如下：

Shader "MyShader/Chapter_7/Chapter_7_BaseTexture"
{Properties{_MainTex("MainTex", 2D) = "white"{}_Specular("Specular", Color) = (1,1,1,1)_Gloss("Gloss", Range(1.0, 256.0)) = 10}SubShader{Pass{Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"struct a2v{float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float4 vertex : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldPos : TEXCOORD1;float3 worldNormal : TEXCOORD2;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;fixed4 _Specular;half _Gloss;v2f vert(a2v i){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(i.vertex);o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, i.vertex);o.worldNormal = mul(i.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);o.uv = TRANSFORM_TEX(i.uv, _MainTex);return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{fixed3 _ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;float3 _worldNormal = normalize(i.worldNormal);float3 _worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);fixed4 _albedo = tex2D(_MainTex, i.uv);fixed3 _diffuse = _LightColor0.rgb * _albedo.rgb * saturate(dot(_worldNormal, _worldLight));float3 _worldRefl = normalize(reflect(-_worldLight, _worldNormal));float3 _worldView = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos);fixed3 _specular = _LightColor0.rgb * _Specular.xyz * pow( saturate(dot(_worldRefl, _worldView)),_Gloss);return fixed4(_ambient + _diffuse + _specular, 1);}ENDCG}}}

效果如下：