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そろそろShaderをやるパート81 頂点を動かして法線を再計算する

2022/09/18に公開約3,800字

そろそろShaderをやります

そろそろShaderをやります。そろそろShaderをやりたいからです。
パート100までダラダラ頑張ります。10年かかってもいいのでやります。
100記事分くらい学べば私レベルの初心者でもまあまあ理解できるかなと思っています。

という感じでやってます。

※初心者がメモレベルで記録するので
 技術記事としてはお力になれないかもしれません。

下準備

下記参考
そろそろShaderをやるパート1 Unite 2017の動画を見る(基礎知識~フラグメントシェーダーで色を変える)

デモ

左は通常のDiffuseです。頂点Shaderを動かしたうえでDiffuseで陰影表現しています。
動いた頂点に合わせて陰影も変化しているのが見て取れます。

法線を再計算しないと以下のようにのっぺりとした陰影の無い状態になります。

Shaderサンプル

Shader "Custom/RecalculateNormal"
{
    Properties
    {
        //ここに書いたものがInspectorに表示される
        _MainColor("MainColor",Color) = (1,1,1,1)
        _DiffuseShade("Diffuse Shade",Range(0,1)) = 0.5
    }
    SubShader
    {
        Tags
        {
            "RenderType"="Opaque"
            "LightMode"="ForwardBase"
        }

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal: NORMAL;
                float3 tangent: TANGENT;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
                float3 ambient : COLOR0; //環境光
            };

            //変数の宣言 Propertiesで定義した名前と一致させる
            float4 _MainColor;
            float _DiffuseShade;

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;

                //接空間のベクトルの近傍点を作成
                float3 posT = v.vertex + v.tangent;
                float3 posB = v.vertex + normalize(cross(v.normal, v.tangent));
               
                //頂点を動かす
                v.vertex.y = v.vertex.y + sin(v.vertex.x * 2.0 + _Time.y) * cos(v.vertex.z * 2.0 + _Time.y);

                //近傍値も動かす
                posT.y = posT.y + sin(posT.x * 2.0 + _Time.y) * cos(posT.z * 2.0 + _Time.y);
                posB.y = posB.y + sin(posB.x * 2.0 + _Time.y) * cos(posB.z * 2.0 + _Time.y);
                
                //動かした頂点座標と近傍点で接空間のベクトルを再計算する
                float3 modifiedTangent = posT - v.vertex;
                float3 modifiedBinormal = posB - v.vertex;
                
                //計算した接空間のベクトルを用いて法線を再計算する
                o.normal = normalize(cross(modifiedTangent, modifiedBinormal));
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                //環境光
                o.ambient = ShadeSH9(float4(o.normal, 1));
                return o;
            }

            float4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                //ライトの方向
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                //Diffuse処理
                float4 diffuseColor = max(0, dot(i.normal, lightDir) * _DiffuseShade + (1 - _DiffuseShade));
                //色を乗算
                float4 finalColor = _MainColor * diffuseColor * _LightColor0 * float4(i.ambient, 0);
                return finalColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

原理としては、動かす前の座標の接空間方向に近傍点をとってそれを頂点同様に動かして法線を再計算しています。

意味不明だと思うので図解します。

まず、以下は1つの頂点とその頂点座標における接空間のベクトルの図です。

次に、この頂点座標における接空間のベクトル方向に近傍点を作成します。
緑と赤の先にある白い丸が作成した近傍点です。

この近傍点を頂点の変化量と同様に変化させます。

これにより、動かした後の頂点座標における接線と従法線が求まります。
あとはこれらの外積を求めれば法線が求まるというロジックです。

参考リンク

【Unity】頂点シェーダーで頂点を変形した後に法線を再計算する

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