XNA高级编程-第7章实现法线映射

7.0概览

使用shader最大的好处是每一步的渲染管道都可自定义。支持Pixel Shader版本1.1 （GeForce 3 ）你你有8条指令可用，支持Pixel Shader 2.0更灵活且允许实现更多的功能（在上一章的normalize和pow方法只适用于Pixel Shader 2.0）和更多的指令（最多96个，但一些方法需要一个以上的指令） 。

Pixel shader 3.0允许更好的流控制，这意味着您可以更好地优化性能。Pixel Shader 3.0最多可以有512条指令。就算你有16、24或32个像素shader并行处理器，当绘制上百万个像素时，仍要花很多时间来为每个像素执行许多指令，新的NVIDIA 8800 GTX的图形卡甚至有128个shader处理器。有时候当一个像素不受灯光影响或不在阴影里，你可以跳过复杂的计算，通过这种形式，您仍然可以实现漂亮的Pixel Shader的效果，但在现实中最新的游戏只需支持Pixel Shader 2.0，因为它是支持许多图形卡；最典型的游戏不支持较昂贵的图形硬件。

Shader Model 4.0与Direct3D 10（2006年初）一同推出，第一个支持它的图形硬件是2006年年底发布的GeForce 8800，但Direct3D的10只适用于Vista而且硬件相当昂贵。游戏开发商可以充分利用Shader Model 4.0还需要一段时间。xna目前仅支持1.1至3.0版本的Shader模型。 Shader Model 4.0允许更多的指令，并提出了几何shader（可以在顶点和像素shader执行前添加几何数据）。在Shader Model 4.0所有的Shader流处理器被统一在一起，这意味着有不再是8个顶点处理器和16个像素处理器，而是统一128 个shader处理器通用于几何，顶点和像素shader，这对如位移映射之类的effect很有用。在2007年，您可以期望一些很酷的演示，可能直到2008年或稍后才会使用几何shader。

7.1给对象加入细节

为您接下去要制作的游戏中会使用到Normal Mapping（法线映射） shaders，对表面有很多的结构和小细节的物体，比如管道，电缆这些需要用上百万的才能显示所有细节的情况，使用Normal Mapping（法线映射） shaders能大大改善三维物体的表现（见图7-1）。你能经常在网上看到一些Normal Mapping的例子that compare totally ridiculous looking objects and bad textures with a super high resolution Normal Mapped object。我试着use real object from a real game（这本书后面的Racer游戏会用到），因为diffuse纹理有一点阴影效果，所以没有Normal Mapping效果也不错。通过这种方式，您可以不使用Normal Mapping，但物体看上去仍不错。使用Normal Mapping能使物体看起来更好，即使只有1000多边形，看起来也非常平滑。

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图7-1

想要得到更好的效果还能使用Parallax Mapping（视差映射），Offset Mapping或Displacement Mapping（位移映射， Shader Model 4支持，但代价昂贵）。这些技术较为复杂，除了diffuse贴图和Normal Map贴图外还需要额外的height map（高度图）。但使用Normal Mapping已经足够好了。

如果您有一块带shader功能的图形卡，Normal Mapping并不难实现。在老的GeForce 3 （shader1.1版）也能工作，就现今支持Pixel Shader 2.0的硬件可以更好地实现反光，效果会更好。通过前一章的学习你已经有了基本的基础，包括如何创造shader、如何转换顶点、像素如何最终显示在屏幕上。

Normal Mapping 需要额外的纹理。diffuse纹理是用来显示基本的材质，颜色等等。Normal Map纹理通过提供顶点向量添加更多的3D细节。

图7-2

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请注意，如果您打开仙人掌的三维模型的kaktusseg.dds和kaktussegnormal.dds贴图，会发现kaktussegnormal.dds看上去不同，这是因为正Normal Map是压缩的，并已经被Alpha和红色通道反转，这样可以在没失去很多细节的前提下把纹理压缩至1：4，看起来仍不错。More details about this technique in a second - just remember that internally the Normal Map texture looks like the texture in 图7-2；the compressed version just stores the data differently。

计算每个像素的光线是要用到Normal Mapping 纹理中的数据，Normal Map中的每一个像素代表了多边形表面的法线向量。这一数据是储存在正切空间，可参见图7-4。从贴图中的颜色数据获得法线向量要用到公式(each r, g and b value-0.5)/0.5（见图7-3），Normal Map中的RGB颜色数据以浮点数的形式被用在公式里，要将RGB颜色数据转换成浮点数，只需除以255，这在Pixel Shader里是自动完成的。比起位图文件的字节数据，浮点数更容易使用。

Normal Map中最多的颜色是淡蓝（RGB 128，128，255），这意味着大多数向量是向上的，即vector3（0，0，1）。如果整个纹理都是浅蓝色的，这意味着每个向量都朝上，那么，Normal Map将没有任何效果。

这些Normal Map像素通常存放在切线空间，这意味着法线数据和多边形表面是有联系的。这是所谓

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的切空间，通过每个顶点的切线和binormal向量你才能建立切线矩阵，而binormal可以通过叉乘法线向量和切线向量得到（见图7-4） 。在上一章，你只有每一点的位置，法线和纹理坐标数据，这些数据对Normal Mapping来说是不够的，您至少需要每个顶点的切线矢量去建立这个切线矩阵，如果没有切线数据的话Normal Mapping 图像显示将不正确。

你可以把切向和binormal 向量看成指向下一个顶点x和y方向的向量, but they are still octagonal (in a 90 degree angle) to the normal vector。这意味着，即使您的三维模型没有任何切线数据，您也可以遍历所有顶点自己创建（不容易，但是可行的）。

问题

问题是，往往顶点可用于一个以上的多边形，有时纹理坐标合并得也不好。对diffuse mapping来说这问题不大，因为您只使用法线向量计算光线，但如果你通过切线空间转换每个像素的法线，就要求数据必须配合。这意味最好在三维程序中生成切线数据，三维程序知道如何在Normal Mapping shader中更好地使用哪些切线和输出法线。在vertex shader中你只能访问到目前您正在处理的顶点，而不能访问下一个顶点，或建立一个新的向量指向下一个顶点。这意味着，将有效的切线数据传送到vertex shader（顶点着色引擎）是很重要的。如果你只是定义了支持切线的vertex input structure，也不意味着应用程序能够处理有效的切线数据。通常您在内容管道有.x或.fbx文件，它没有任何切线的数据（见图7-5 ）。

图7-5

这意味着你仅有法线数据而没有切线数据，这样就无法为Normal Mapping创建切线空间。对于简单的对象比如这个苹果问题不大，但如何模型有更多的曲线和纹理坐标就会出现显示错误。图7-6显示的就是切线错误的苹果模型。

图7-6

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