标签：3d 3d引擎 shader bump mapping
作者：i_dovelemon
日期：2014 / 9 / 7
来源：CSDN博客
主题：Bump Mapping, Tangent Space, Normal Map, Height Map
我们知道，在真实世界中，任何物体的表面都不是非常光滑的，这种粗糙的表面效果，在光源的照射下会有明暗的感觉。那么，如何在3D图形中模拟这种效果了？是通过建模的方法，为模型的表面建造出粗糙的表面？这种方法很难做出真实的粗糙感出来，毕竟表面的粗糙程度是很细微的效果，很难用建模的方式建模出来。所以，只能用其他的方法来代替了。在3D图形学中，有一种称为Bump Mapping的技术，这个技术可以实现模型的表面粗糙感，而不需要额外的为模型增加顶点数据。
想要营造这种明暗效果，很显然，我们需要通过光照计算来模拟。要进行光照计算，自然需要光源和法线。光源，我们可以很简单的使用颜色值，光源位置来定义就可以了。而对于法线，因为我们不是增加顶点，改变模型的方式，所以，仅仅有顶点的法线，然后经过插值很难做出粗糙的感觉。我们需要的是，在这个模型渲染到最后的表面的时候，每一个像素的法线都需要不同，都需要根据不同的明度和暗度来营造。
而每一个像素的法线，如何计算了？想象一下，我们可以为模型的表面贴上一个凹凸不平的贴图，但是这种贴图在光源的效果下，并不会有粗糙材质在光源照耀下的明暗感觉。为了能够让这个贴图有那种凹凸明暗的感觉，我们就需要为每一个像素弄出一个法线出来。这样，随着光源不断的移动，我们对每一个像素进行光照计算，这种，每一个像素的明暗效果就可以出现了。所以剩下的问题就是，如何设计贴图每一个像素的法线，从而来营造出我们想要的凹凸粗糙感了？
在3D图形学中，有一种图，称为Height Map(高度图)的东西。如下所示为一张高度图：
从上面的图中可以看出，高低不平，黑色的地方表示很低，白色的地方表示很高。这种高度图，实际上是一种灰度图，也就是说，它的颜色值中RGB的各个分量实际上都是一样的。
好了，有了这种凹凸的效果，接下来，我们的任务就是根据这张高度图来构建每一个像素法线。由于我们不能在Shader中实时的构建，那样效率太差，所以我们需要预先根据这种图来构建所有纹理像素的法线，由于法线是向量，所以也可以使用三个分量来表示，所以，我们完全可以将法线保存在RGB值中，只不过要将法线各个分量的值缩放到0-255范围之类就可以了。
下面的函数用于将BMP格式的高度图计算为法线，并且存在在另外一个相同尺寸BMP位图中，这张图就称为Normal Map:
<span style="font-family:Microsoft YaHei;">/**
* Suppose the texture is 32 Bit format heightmap and needs to be
* converted to be a normal map instead.
*/
HRESULT ZFXD3DSkinManager::convertToNormalmap(ZFXTEXTURE *pTexture)
{
HRESULT hr= ZFX_OK;
D3DLOCKED_RECT d3dRect;
D3DSURFACE_DESC desc;
// get a dummy pointer
LPDIRECT3DTEXTURE9 pTex = ((LPDIRECT3DTEXTURE9)pTexture->pData);
pTex->GetLevelDesc(0, &desc);
if (FAILED(pTex->LockRect(0, &d3dRect, NULL, 0))) {
log("error: cannot lock texture to copy pixels \"%s\"", pTexture->chName);
return ZFX_BUFFERLOCK;
}
// get pointer to pixel data
DWORD* pPixel = (DWORD*)d3dRect.pBits;
// build normals at each pixel
for (DWORD j=0; j<desc.Height; j++) {
for (DWORD i=0; i<desc.Width; i++) {
DWORD color00 = pPixel[0];
DWORD color10 = pPixel[1];
DWORD color01 = pPixel[d3dRect.Pitch/sizeof(DWORD)];
float fHeight00 = (float)((color00&0x00ff0000)>>16)/255.0f;
float fHeight10 = (float)((color10&0x00ff0000)>>16)/255.0f;
float fHeight01 = (float)((color01&0x00ff0000)>>16)/255.0f;
ZFXVector vcPoint00( i+0.0f, j+0.0f, fHeight00 );
ZFXVector vcPoint10( i+1.0f, j+0.0f, fHeight10 );
ZFXVector vcPoint01( i+0.0f, j+1.0f, fHeight01 );
ZFXVector vc10 = vcPoint10 - vcPoint00;
ZFXVector vc01 = vcPoint01 - vcPoint00;
ZFXVector vcNormal;
vcNormal.cross(vc10, vc01);
vcNormal.normalize();
// store normal as RGBA in normalmap
*pPixel++ = VectortoRGBA( &vcNormal, fHeight00 );
}
}
pTex->UnlockRect(0);
LPDIRECT3DSURFACE9 pSurface=NULL;
pTex->GetSurfaceLevel(0, &pSurface);
D3DXSaveSurfaceToFile("normal.bmp", D3DXIFF_BMP, pSurface, NULL, NULL);
return ZFX_OK;
} // ConvertToNormalmap</span>下面是VectortoRGBA的函数：
<span style="font-family:Microsoft YaHei;">// encode vector data as RGBA color value for normal map
DWORD VectortoRGBA(ZFXVector *vc, float fHeight) {
DWORD r = (DWORD)( 127.0f * vc->x + 128.0f );
DWORD g = (DWORD)( 127.0f * vc->y + 128.0f );
DWORD b = (DWORD)( 127.0f * vc->z + 128.0f );
DWORD a = (DWORD)( 255.0f * fHeight );
return( (a<<24L) + (r<<16L) + (g<<8L) + (b<<0L) );
} // VectortoRGBA</span>
这篇文章，暂时简单的讲述了如何根据高度图来构建法线图。在接下来的文章中，将会向大家讲述如何根据这个法线图来进行光照计算，从而达到凹凸明暗的效果。并且在接下来将会讲述在3D图形学中很重要的一个概念：Tangent Space。
标签：3d 3d引擎 shader bump mapping
原文地址：http://blog.csdn.net/i_dovelemon/article/details/39118319
