GraphicsLab Project之光照贴图烘焙(二) - Radiosity Normal Mapping
作者：i_dovelemon
日期：2018-05-30
来源：CSDN
主题：Radiosity Normal Mapping, Tangent Space
引言
前面一篇文章，我们讲述了如何通过Radiosity算法，实现旧式的光照贴图烘焙。正如前面我们讲述的，最终我们希望实现的是Source引擎中带有凹凸效果的烘焙（题图对比）。
我们知道，Normal Mapping是一种增添表面细节的方法。旧式的光照贴图丢失了这种细节。原因是普通的Normal Mapping，需要光照方向，但是对于烘焙的贴图来说没有固定的光照方向，所以丢失了凹凸的信息。为此，Valve在Half Life 2中提出了Radiosity Normal Mapping的改进方法，以此来增加烘焙贴图的表面细节。
Radiosity Normal Mapping
在传统的光照贴图烘焙中，我们保存的是每一个patch的法线所朝向的半个立方体范围内的入射光照的结果。Valve将此种方法进行了扩展，他们实验出了一组正交基，如图所示：
与旧式不同的是，需要计算以这三个切空间正交基为法线的patch的颜色。也就是说，相对于以前只保存一个颜色的光照贴图，现在需要保存这三个法线方向的光照颜色。
当我们获取了这样的光照贴图之后，在实际使用的时候，只要简单的获取对应的法线贴图中的法线数据与三个基向量做点积，并以此为权重进行光照贴图的混合，如图所示：
整个过程并没有多复杂，通过这样的方式就能够近似的模拟带有Normal Maping的效果了。
实现
实现中也没有什么特别的地方，只要注意Valve给出的向量实际是patch法线所在的切空间，所以我们在进行光照贴图计算的时候，需要将这三个正交基变换到世界坐标来，如下代码所示：
void PrepareLightPatch() {
memset(m_Patch, 0, sizeof(m_Patch));
// Calculate uv for every patch
for (int32_t h = 0; h < kLightMapHeight; h++) {
for (int32_t w = 0; w < kLightMapWidth; w++) {
m_Patch[h][w].uv = math::Vector((w + 0.5f) * 1.0f / kLightMapWidth, (kLightMapHeight - h - 0.5f) * 1.0f / kLightMapHeight, 0.0f);
}
}
// Collect all faces
struct Face {
struct {
math::Vector uv;
math::Vector pos;
math::Vector normal;
math::Vector tangent;
math::Vector binormal;
} vertex[3];
};
std::vector
相比于以前，我们的模型需要提供顶点的法线以及切向量等信息。由于我的模型绘制的原点处，所以并没有考虑world matrix的影响，大家自己做的时候需要注意这里。
除此之外，就是在实际绘制的时候，需要计算新的光照贴图的效果，如下代码实现了最终的Radiosity Normal Mapping效果：
vec3 calc_radiosity_normal_map_color(vec2 uv) {
// Calculate normal
vec3 normal = texture(glb_NormalMap, uv).xyz;
normal -= vec3(0.5, 0.5, 0.5);
normal *= 2.0;
normalize(normal);
// Calculate bais
vec3 bais0 = vec3(sqrt(2.0 / 3.0), 0.0, sqrt(1.0 / 3.0));
vec3 bais1 = vec3(-sqrt(1.0 / 6.0), sqrt(1.0 / 2.0), sqrt(1.0 / 3.0));
vec3 bais2 = vec3(-sqrt(1.0 / 6.0), -sqrt(1.0 / 2.0), sqrt(1.0 / 3.0));
normalize(bais0);
normalize(bais1);
normalize(bais2);
vec3 lightMapColor0 = texture(glb_LightMap[0], uv).rgb;
vec3 lightMapColor1 = texture(glb_LightMap[1], uv).rgb;
vec3 lightMapColor2 = texture(glb_LightMap[2], uv).rgb;
return lightMapColor0 * max(0.0, dot(bais0, normal)) + lightMapColor1 * max(0.0, dot(bais1, normal)) + lightMapColor2 * max(0.0, dot(bais2, normal));
}
需要注意，我这里为了简化问题，三个不同基向量所计算出来的颜色，我使用了三张不同的贴图来保存了。在实际使用过程中，你可能不会如此的浪费，那么就需要合理的将三种颜色进行pack压缩，降低显存开销。
下面是进行了这种计算之后，与以前旧式的光照贴图的效果对比：
总结
到此，我们的Radiosity Normal Mapping算法基本完成了。不过，有一个问题，我所有的模型中都没有曲面的情况。要知道，对于曲面，它的法线实际上是平滑过渡的，所以对于曲面，在计算patch的法线信息的时候，可能需要额外的操作来实现这种平滑过渡。后面有机会我会实现这种功能。
完整的代码已经上传至Github，大家可以自行浏览。
参考文献
[1] Half Life 2 / Valve Source Shading
[2] GraphicsLab Project之Normal Mapping