粗糙度貼圖的多面向詳解

一、粗糙度貼圖的概念

粗糙度貼圖是一種用於增強3D模型表現力的技術，是指在建模過程中，通過在模型表面增加一層顏色或者灰度紋理貼圖，來模擬物體表面的微小凹凸不平，從而增加物體表面的細節和真實感。

常見的粗糙度貼圖包括：反射率貼圖、法線貼圖、置換貼圖、高光貼圖等。

二、粗糙度貼圖的種類和應用

1、反射率貼圖

反射率貼圖用於影響物體表面的反射度，比如鏡面反射。

下面是一段實現反射率貼圖的代碼示例：

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、法線貼圖

法線貼圖是一種用來模擬3D模型表面細節的技術，通過在模型表面以紋理的方式存儲法線向量，來增強物體表面的細節感。

下面是一段實現法線貼圖的代碼示例：

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、置換貼圖

置換貼圖是一種用於模擬物體表面幾何細節的技術，通過將幾何信息存儲在紋理中，並在運行時將幾何信息應用到模型中，增加模型表面的凹凸感。

下面是一段實現置換貼圖的代碼示例：

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、高光貼圖

高光貼圖用於模擬3D模型表面的高亮反射，增加物體表面的反射感。

下面是一段實現高光貼圖的代碼示例：

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、粗糙度貼圖的優化

1、壓縮紋理

在使用粗糙度貼圖的時候，可以採用壓縮紋理的方式來減小紋理資源的體積，從而節省顯存和提高載入速度。

下面是一段實現壓縮紋理的代碼示例：

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

2、使用MipMaps

MipMaps可以用來處理粗糙度貼圖的採樣問題，在遠處使用低解析度的MipMap，近處使用高解析度的MipMap，從而避免了遠處紋理變得模糊，近處紋理變得失真的問題。

下面是一段使用MipMaps的代碼示例：

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、使用紋理陣列

紋理陣列可以用來存儲多個紋理，在頂點/像素著色器中使用數組下標進行訪問，從而避免了頻繁地在GPU和CPU之間切換紋理。此外，紋理陣列還可以用於實現環境貼圖等效果。

下面是一段實現紋理陣列的代碼示例：

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實現採樣

使用GPU實現紋理採樣可以避免在CPU和GPU之間頻繁地拷貝紋理數據，從而提高渲染效率。

下面是一段使用GPU實現紋理採樣的代碼示例：

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、結語

粗糙度貼圖是一項非常重要的技術，可以大大增強3D模型的表現力，讓模型更真實、更細緻。希望通過這篇文章的介紹，能夠對粗糙度貼圖技術有更深入的了解，同時也希望大家在實際的開發中能夠充分應用這項技術，為遊戲的畫面質量提升做出自己的貢獻。