粗糙度贴图的多面向详解

一、粗糙度贴图的概念

粗糙度贴图是一种用于增强3D模型表现力的技术，是指在建模过程中，通过在模型表面增加一层颜色或者灰度纹理贴图，来模拟物体表面的微小凹凸不平，从而增加物体表面的细节和真实感。

常见的粗糙度贴图包括：反射率贴图、法线贴图、置换贴图、高光贴图等。

二、粗糙度贴图的种类和应用

1、反射率贴图

反射率贴图用于影响物体表面的反射度，比如镜面反射。

下面是一段实现反射率贴图的代码示例：

float4 ReflectanceMapPS(PSInput input) : SV_Target
{
    float4 diffuse = texDiffuse.Sample(ss, input.TexCoord);
    float3 normal = texNormal.Sample(ss, input.TexCoord).rgb * 2 - 1;
    float3 specular = pow(max(dot(normal, eyeVector), 0), shininess) * texSpecular.Sample(ss, input.TexCoord).rgb;

    return float4((diffuse.rgb + emissive.rgb) * ambient.rgb + diffuse.rgb * lightColor.rgb + specular * lightColor.rgb, texDiffuse.Sample(ss, input.TexCoord).a);
}

2、法线贴图

法线贴图是一种用来模拟3D模型表面细节的技术，通过在模型表面以纹理的方式存储法线向量，来增强物体表面的细节感。

下面是一段实现法线贴图的代码示例：

float3 NormalMapPS(PSInput input) : SV_Target
{
    float3 normal = texNormal.Sample(ss, input.TexCoord).rgb * 2 - 1;
    float3 tangent = normalize(tangentVector - input.WorldNormal * dot(tangentVector, input.WorldNormal));
    float3 bitangent = cross(input.WorldNormal, tangent) * tangent.w;

    float3x3 tbn = float3x3(tangent, bitangent, input.WorldNormal);
    normal = normalize(mul(normal, tbn));

    return normal * 0.5f + 0.5f;
}

3、置换贴图

置换贴图是一种用于模拟物体表面几何细节的技术，通过将几何信息存储在纹理中，并在运行时将几何信息应用到模型中，增加模型表面的凹凸感。

下面是一段实现置换贴图的代码示例：

float4 DisplacementMapPS(PSInput input) : SV_Target
{
    float4 pos = mul(float4(input.WorldPos, 1), viewProj);
    pos /= pos.w;

    float3 normal = texNormal.Sample(ss, input.TexCoord).rgb * 2 - 1;
    float height = texHeight.Sample(ss, input.TexCoord).r;
    float3x3 tbn = float3x3(input.WorldTangent, input.WorldBinormal, input.WorldNormal);

    float4 offset = float4(normal * height * displacementScale, 0);
    offset = mul(offset, tbn);

    pos.xyz += offset.xyz;

    return texDiffuse.Sample(ss, input.TexCoord);
}

4、高光贴图

高光贴图用于模拟3D模型表面的高亮反射，增加物体表面的反射感。

下面是一段实现高光贴图的代码示例：

float4 SpecularMapPS(PSInput input) : SV_Target
{
    float3 normal = texNormal.Sample(ss, input.TexCoord).rgb * 2 - 1;
    float3 reflection = normalize(reflect(-lightVector, normal));
    float specular = pow(saturate(dot(reflection, eyeVector)), shininess) * texSpecular.Sample(ss, input.TexCoord).r;

    return float4(specular, specular, specular, 1);
}

三、粗糙度贴图的优化

1、压缩纹理

在使用粗糙度贴图的时候，可以采用压缩纹理的方式来减小纹理资源的体积，从而节省显存和提高加载速度。

下面是一段实现压缩纹理的代码示例：

D3DX11CreateTextureFromFile(device, L"texture.dds", NULL, NULL, &texture, NULL);
D3DX11CreateShaderResourceViewFromFile(device, L"texture.dds", NULL, NULL, &textureSRV, NULL);

2、使用MipMaps

MipMaps可以用来处理粗糙度贴图的采样问题，在远处使用低分辨率的MipMap，近处使用高分辨率的MipMap，从而避免了远处纹理变得模糊，近处纹理变得失真的问题。

下面是一段使用MipMaps的代码示例：

D3DX11CreateTextureFromFile(device, L"texture.dds", NULL, NULL, &texture, NULL);
D3DX11CreateShaderResourceViewFromFile(device, L"texture.dds", NULL, NULL, &textureSRV, NULL);

D3D11_SAMPLER_DESC samplerDesc;
samplerDesc.Filter = D3D11_FILTER_MIN_MAG_MIP_LINEAR;
samplerDesc.AddressU = D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
samplerDesc.AddressV = D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
samplerDesc.AddressW = D3D11_TEXTURE_ADDRESS_WRAP;
samplerDesc.ComparisonFunc = D3D11_COMPARISON_NEVER;
samplerDesc.MinLOD = 0;
samplerDesc.MaxLOD = D3D11_FLOAT32_MAX;

device->CreateSamplerState(&samplerDesc, &samplerState);

context->PSSetSamplers(0, 1, &samplerState);

3、使用纹理阵列

纹理阵列可以用来存储多个纹理，在顶点/像素着色器中使用数组下标进行访问，从而避免了频繁地在GPU和CPU之间切换纹理。此外，纹理阵列还可以用于实现环境贴图等效果。

下面是一段实现纹理阵列的代码示例：

D3DX11CreateTextureFromFile(device, L"textureArray.dds", NULL, NULL, &textureArray, NULL);
D3DX11CreateShaderResourceViewFromFile(device, L"textureArray.dds", NULL, NULL, &textureArraySRV, NULL);

context->PSSetShaderResources(0, 1, &textureArraySRV);

4、使用GPU实现采样

使用GPU实现纹理采样可以避免在CPU和GPU之间频繁地拷贝纹理数据，从而提高渲染效率。

下面是一段使用GPU实现纹理采样的代码示例：

Texture2D tex : register(t0);
SamplerState samp : register(s0);

cbuffer ConstantBuffer : register(b0)
{
    float4x4 worldViewProj;
};

struct VS_INPUT
{
    float3 pos : POSITION;
    float3 norm : NORMAL;
    float2 texCoord : TEXCOORD;
};

struct PS_INPUT
{
    float4 pos : SV_POSITION;
    float3 norm : NORMAL;
    float2 texCoord : TEXCOORD;
};

PS_INPUT main(VS_INPUT input)
{
    PS_INPUT output;
    output.pos = mul(worldViewProj, float4(input.pos, 1.0f));
    output.norm = input.norm;
    output.texCoord = input.texCoord;

    return output;
}

float4 main(PS_INPUT input) : SV_TARGET
{
    return tex.Sample(samp, input.texCoord);
}

四、结语

粗糙度贴图是一项非常重要的技术，可以大大增强3D模型的表现力，让模型更真实、更细致。希望通过这篇文章的介绍，能够对粗糙度贴图技术有更深入的了解，同时也希望大家在实际的开发中能够充分应用这项技术，为游戏的画面质量提升做出自己的贡献。