SpecularAA？楚留香的「粗糙度+=法線長度」是為了什麼？

先大概列下這段代碼：

fixed4 tangentNormal = tex2D(_MainNormalTex,i.uv.zw);fixed3 bump = UnpackNormal(tangentNormal);fixed3 worldBump = (half3( dot(i.T2W0.xyz,bump), dot(i.T2W1.xyz,bump), dot(i.T2W2.xyz,bump)));half bumpLen = length(worldBump);//獲得法線長度worldBump /= bumpLen;roughness = saturate(roughness + min(0.4,saturate(1.0 - bumpLen) * _Factor));

前面都是耳熟能詳的法線貼圖相關代碼，但在歸一化的時候，卻獲取了法線長度，並且將它和1的差值以一定比例加到了粗糙度上。

由於T2W012計算是在頂點上完成的，frag階段進行的硬體插值，因為是線性插值（Lerp）而不是球插值(Slerp)，確實會不等於1。

放大3倍著色出來確實也能看到。多邊形中間的部分，算出來的法線長度會稍微短一點。

但這樣的東西又有什麼意義呢？

所以跑群里問了下（雖然問的是完全不同的東西），搞到中途也開始偏題了，開始扯別的。這時候突然有人冒出來插了這麼一句：

因為我既沒有貼代碼也沒貼圖，也完全沒提粗糙度的事情，也就提到了法線貼圖和彌賽亞，他卻突然冒出來roughness這個詞，我就覺得他應該知道點什麼。

但可能是他覺得我們這點事都不知道很LOW吧，說完「說個幾把」之後就退群了，我也不好去問了。

而他提到的這個SpecularAA，我查了下大概是指這類問題：

Fighting aliasing on specular highlights

這個確實是個問題，是採樣不足，採樣點又恰好到了高光最亮的地方產生的現象。準確的解決方法就只有增加採樣，或者用不僅僅針對幾何邊緣的屏幕反鋸齒技術，諸如FXAA，TAA一類。

而這個地址還有人給了一個利用fwidth的方法（根據屏幕兩個像素法線的變化率來決定高光的衰減量，相當於增加粗糙度）

float3 ddxN = ddx(Normal.rgb);float3 ddyN = ddy(Normal.rgb);float curv2 = max( dot( ddxN, ddxN ), dot( ddyN, ddyN ) );float gloss_max = -0.0909h - 0.0909h * log2(CURV_MOD*curv2);gloss = min(gloss, gloss_max);gloss = min(MAX_POW, exp2(1 + lerp(POW_MOD_MIN, POW_MOD_MAX, gloss )));

這些做法我都能理解。

但是單單取法線的長度值來增加粗糙度，這為啥就能解決高光採樣不足的問題呢？

是，如果把「法線換算成世界空間後才取長度」看做一個筆誤，又或者是覺得插值導致的誤差可以忽略，想省略一次normalize指令（後面的normalize指令在歸一的化的時候本來就必須做），那有可能他們實際想獲取的是法線貼圖當前像素的長度。假如法線紋理數據不是歸一化的，就可以利用其長度儲存一些信息，比如「法線的梯度」，再利用這個梯度增加粗糙度。

也就是讓法線變化快的區域高光弱一點。

但是我們要的並不是「法線變化快->高光變弱」吧？而是「屏幕上兩點法線變化快->高光變弱」吧？

不考慮對近處物體的影響，fwidth確實能解決問題。那麼是嫌fwidth是ES3專用，不得不用其他效果更差的方式代替？

但不用fwidth的話，用法線紋理上的固定梯度來減少粗糙度，相當於直接修改粗糙度紋理。這一切計算都是和視距沒有關係的，而AA則應該在高光採樣不足的遠處開始執行。所以說，就算真的要這樣做，至少也該把視距當做粗糙度增加的係數吧？

當然我突然想到了，除了在frag上直接求視距外，還有什麼是本身就和視距相關的呢？

MipMap。

所以，我們並不需要計算視距，只要讓法線貼圖各級mipMap的長度值影響係數依次遞減，就能夠讓近處的物體不受影響，而遠處的物體高光在某些部分變糊。

但在實際做的時候，出了一個問題：我很難去復現SpecularAA出現的情形（就是那個門的白色雜點）。復現不了，也就無法去驗證是否修復。

因為按照一般的mipMap演算法，法線貼圖的xy坐標在mipMap的高層級會因為插值變得很小，也就是會變得「方向幾乎一致」「平滑」，只有把MipMap去掉才能看到比較明顯的高光反走樣。

但如果開著MipMap，法線基本上就被抹平了，想想也是該這麼回事兒。

難道說是因為他們不開法線貼圖的MipMap？不至於吧？

這種做法倒是也聽說過，畢竟開了MipMap，就必須開三線以及各向異性過濾，否則紋理很容易出現斜面模糊，MipMap的斷層。此外，就是這個法線細節丟失的問題。

但是，關閉MipMap會面臨帶寬壓力和更嚴重的紋理走樣問題，這通常是沒有其他辦法後的最終手段。

這時候我想到了之前看過的這篇文章的內容：

【SIGGRAPH2017】Physically Based Material Where Are We

既然開了mipMap存在這個變「光滑」的問題，而開了mipMap實際上不容易出現高光反走樣，那麼有沒有可能，楚留香這個「粗糙度+=法線長度」根本就不是為了解決高光反走樣，而是為了解決這個物體遠距離變光滑的問題？

原有的法線細節被搞沒了，用粗糙度補回來一些，合情合理。

但在實際編輯法線的多級MipMap數據時，很自然地發現了一個現象。

而且之前就有疑問，既然要在法線紋理上藏粗糙度偏移，那幹嘛不直接在粗糙度紋理上直接偏移呢？就算有多級MipMap要做的事情也是一樣的——但是，假如法線部分什麼都不處理就能就預期的效果，直接取就好了，當然就沒必要去修改粗糙度紋理了。

要點就是，原始法線圖本身事先編輯成歸一化的（相對於0.5,0.5），但是經過Box演算法插值出其他級別的MipMap後，並不對它們歸一化，而是任由它們由於相鄰像素線性插值而損失長度（紋理類型應該是Default，而非Normal Map）。產生的結果就如同下圖：

會因為相鄰像素差異而失去「向量長度」，而且方向差異越大，失去的「長度」越多。

這直接就是我們想要的結果。

著色後可以看到length的平均值確實會因為距離遠而變低。

最近的距離不是純白是因為在同一級mipMap中相鄰像素依然會因為Bilinear過濾而降低length，如果用點採樣就是純白的。

所以這樣處理法線後，再直接用

_Factor = 0.3;roughness = saturate(roughness + min(0.4,saturate(1.0 - bumpLen) * _Factor));

就能有「遠距離法線變化劇烈部分粗糙度增加」的效果。

但僅僅粗糙度增加……由於高光分布的問題並不能好好地模擬出原本法線產生的粗糙效果，也僅僅是讓遠處的小球不至於變得「光滑」。但這個Shader產生的效果，恐怕也只能這樣。而且這東西也能夠稍微緩解SpecularAA的問題。

另外，如果選擇將法線長度的變化量生成到對應物體的粗糙度貼圖上，就不用修改Shader了（同時也能避免第一級MipMap用Bilinear過濾導致多餘降低的粗糙度）

Texture2D tex = AssetDatabase.LoadAssetAtPath<Texture2D>("Assets/bump.png");Texture2D resultTex = new Texture2D(tex.width, tex.height, TextureFormat.ARGB32, true);for (int mipLevel = 0; mipLevel < tex.mipmapCount; mipLevel++){ Color[] colors = tex.GetPixels(mipLevel); for (int i = 0; i < colors.Length; i++) { Color c = colors[i]; float len = (new Vector3(c.r, c.g, c.b) * 2f - Vector3.one).magnitude; float smooth = Mathf.Clamp01(1f - Mathf.Max(0, 1f - len) * 0.3f); colors[i] = new Color(1, 1, 1, smooth); } resultTex.SetPixels(colors,mipLevel);}resultTex.Apply(false, false);resultTex.anisoLevel = 4;AssetDatabase.CreateAsset(resultTex, "Assets/smoothness.asset");AssetDatabase.Refresh();

其實我最後也不知道彌賽亞這段代碼是幹嘛的，因為對實際畫面的影響太小了，不容易測試。

但管它的，自己能用，能出效果不就行了。

咱又不是它肚裡的蛔蟲，他自己不出來說，誰知道這個有什麼用。

反正這東西不開MipMap是肯定沒效果的，但開了MipMip又很難看到劇烈變化的法線。除非它的MipMap生成方式特殊。

最後一定要說明的一點是，我這個球的紋理只是個演示例子，搞張比較容易出事兒的法線貼圖而已。

真想解決這個球本身的問題，其實把mipMap Filter設成Kaiser就可以了。

兩者疊加？

另外當時群里討論的其實是個和上面完全無關的問題，是關於這個的，所以有人能扯到roughness和高光上才令人意外：

這個要有誰知道能怎麼解決還望提點一下啊。

推薦閱讀：