Unity URP 法线贴图色彩空间、编码与解码

从切线空间到纹理像素，再到 Shader 中的法线重建 —— 逐步拆解法线贴图的完整数据流

1. 法线贴图是什么

法线贴图（Normal Map）是一张存储了表面法线方向的纹理。它不存储颜色，而是将三维向量 (n⃗.x, n⃗.y, n⃗.z) 编码到 RGB 三个通道中，让低面数模型在光照计算时呈现出高面数的凹凸细节。

一张典型的法线贴图看起来是蓝紫色的 —— 因为大多数表面法线指向"正上方"（+Z 方向），编码后对应 R=0.5, G=0.5, B=1.0，正是那种淡蓝紫颜色。

图 1：法线贴图的作用 —— 让低面数模型获得高面数的光照效果

2. 切线空间与法线方向

法线贴图中的法线定义在切线空间（Tangent Space）中。切线空间由三个基向量构成：

图 2：切线空间的三个基向量 —— 沿 UV 方向展开

关键性质：

• 法线是单位向量，满足 x² + y² + z² = 1
• 三个分量范围都是 [-1, +1]
• "平坦"表面的法线 = (0, 0, 1)，指向正 Z 方向
• 切线空间跟随模型表面弯曲，所以法线贴图可以在不同模型上复用

3. 编码：从法线到颜色

纹理的 RGB 通道只能存储 [0, 1] 的值，而法线分量在 [-1, +1] 之间。编码的核心就是做一次线性映射：

图 3：编码映射 —— [-1,+1] → [0,1] 的线性变换

编码公式（法线 → 纹理颜色）：

// 每个通道独立编码 color.r = normal.x * 0.5 + 0.5; color.g = normal.y * 0.5 + 0.5; color.b = normal.z * 0.5 + 0.5;

常见法线值的编码结果：

直觉：法线贴图中越接近蓝紫色的区域，表面越平坦；越偏红/绿的区域，表面朝 X/Y 方向的倾斜越大。

4. 两种编码格式：RGB vs DXT5nm

Unity 支持两种法线贴图的存储方式，这是理解编码/解码的关键分歧点：

图 4：两种编码格式的通道布局与解码路径

为什么 DXT5nm 把 X 放到 Alpha 通道？
DXT5/BC3 压缩格式中，Alpha 通道有独立的 4-bit 插值，精度比 R/G/B 的共享 5-bit 更高。将 X 分量放到 Alpha 中可以在压缩后保留更多法线细节。而 Z 通道被丢弃是因为它可以由 X、Y 推导出来（单位向量约束），不存储反而节省了压缩空间。

DirectX vs OpenGL 绿通道方向

另一个常见困惑是绿通道（Y 分量）的方向：

在 Unity 的导入设置中可以通过"Flip Green Channel"选项来切换。两种格式互为绿通道取反关系。

5. 解码：UnpackNormal 的完整流程

Unity 内部通过两个关键函数完成法线贴图的解码。整个流程如下：

下面是 Unity 源码中两个关键解码函数的简化版：

// RGB 格式解码 —— 三个通道完整存储 float3 UnpackNormalRGB(float4 packedNormal) { float3 normal; normal.xy = packedNormal.rg * 2.0 - 1.0; // [0,1] → [-1,+1] normal.z = packedNormal.b * 2.0 - 1.0; // 直接读 Z return normalize(normal); }

// DXT5nm 格式解码 —— X 在 Alpha，Y 在 Green float3 UnpackNormalmapRGorAG(float4 packedNormal) { // 检测 R 通道是否被用来存 X（某些平台上 R=A） float2 rg_or_ag = packedNormal.rg; if (packedNormal.a >= 0.0) // Unity 通过编译宏决定路径 rg_or_ag = packedNormal.ag; // DXT5nm: 读 A 和 G float3 normal; normal.xy = rg_or_ag * 2.0 - 1.0; // 解码 X 和 Y normal.z = sqrt(1.0 - saturate( // 由单位向量约束推导 Z dot(normal.xy, normal.xy))); return normal; }

注意：Unity 的UnpackNormal()函数会根据纹理的导入设置自动选择正确的解码路径。你通常不需要手动判断格式。只要法线贴图在 Inspector 中被设置为"Normal Map"类型，Unity 就会正确处理编码和色彩空间。

6. 色彩空间：sRGB vs Linear

这是法线贴图最容易出错的地方。法线贴图的数据是数学向量，不是颜色，因此它不应该经过 sRGB → Linear 的伽马校正。

图 6：sRGB 解码对法线贴图的影响 —— 伽马校正确保暗部细节的设计初衷对法线数据是灾难性的

核心规则：

Unity 如何处理？
当你在 Inspector 中将纹理类型设为"Normal Map"，Unity 会：
1. 自动将 sRGB 标记设为 false
2. 如果源纹理是 DXT5nm 格式，在导入时重排通道（R→A 或保持）
3. 在SAMPLE_TEXTURE2D采样时，因为 sRGB=false，GPU 不会做伽马转换，直接返回原始 [0,1] 数据

7. 常见陷阱与检查清单

1纹理未标记为 Normal Map结果：sRGB 伽马校正被应用，法线方向偏移，表面光照异常修复：Inspector → Texture Type → Normal Map2绿通道方向错误结果：凹凸方向反转，凸起变凹陷（或反之）修复：Inspector → Flip Green Channel / 在 Shader 中 Y 取反3手动乘以 2 减 1 但忘了 Z 重建结果：DXT5nm 格式下 Z 分量来自 Blue 通道（值为 1），解码后 Z=1 而非正确值修复：使用 UnpackNormal 或手动从 xy 推导 z4切线空间未正确传递到 Fragment结果：法线贴图在模型不同部位方向不一致，出现光照条纹修复：确保 Vertex 中计算 TBN 并使用 correctTangentSpace 变体5BC5/BC7 平台差异不同平台压缩格式不同，用 #pragma multi_compile_local 处理

图 7：五大常见陷阱与修复方案

检查清单：每次使用法线贴图时，确认以下事项：
• 纹理类型 = Normal Map（自动设 sRGB=false）
• 绿通道方向与项目约定一致（DirectX / OpenGL）
• 使用UnpackNormal()而非手动解码
• 切线向量在 Vertex Shader 中正确计算并传递
• TBN 矩阵的三个向量都已归一化

总结：完整数据流