如何基于高度场纹理计算像素法向量复现Core Image Shaded Material滤镜？

1. 从高度场纹理计算法向量 #

高度场的法向量通过相邻像素的高度梯度推导，在Metal片段着色器中可按以下步骤实现：

• 定义高度场纹理的采样步长：float2 step = 1.0 / float2(heightTexture.width, heightTexture.height);
• 获取当前像素及上下左右邻点的高度值（假设高度存储在纹理的R通道）：

  float h = heightTexture.sample(sampler, uv).r;
  float hLeft = heightTexture.sample(sampler, uv - float2(step.x, 0.0)).r;
  float hRight = heightTexture.sample(sampler, uv + float2(step.x, 0.0)).r;
  float hDown = heightTexture.sample(sampler, uv - float2(0.0, step.y)).r;
  float hUp = heightTexture.sample(sampler, uv + float2(0.0, step.y)).r;
  

• 计算X、Y方向的梯度，推导法向量并归一化：

  float dx = (hRight - hLeft) / (2.0 * step.x);
  float dy = (hUp - hDown) / (2.0 * step.y);
  float3 normal = normalize(float3(-dx, -dy, 1.0));
  

  这里的负号对应高度场的坐标系方向，可根据实际纹理的Y轴方向调整。

2. RGB像素转换为2分量法向量 #

如果你的RGB纹理是存储法向量的图，通常是将法向量的X、Y分量从[-1,1]映射到[0,1]区间后存在R、G通道：

• 采样RGB法向量纹理：float3 rgbNormal = normalTexture.sample(sampler, uv).rgb;
• 将R、G通道反向映射回[-1,1]区间，得到2分量法向量：

  float2 xyNormal = rgbNormal.rg * 2.0 - 1.0;
  

  若需要完整法向量，Z分量可通过sqrt(1.0 - dot(xyNormal, xyNormal))计算，但Shaded Material滤镜仅需XY分量用于半球图查找。

3. 半球着色图的采样坐标计算 #

文档中的公式是基于像素坐标的，但Metal纹理采样默认使用归一化UV（[0,1]范围），所以可以简化：

• 用归一化法向量的XY分量计算采样UV：float2 lookupUV = (normal.xy + 1.0) * 0.5;
• 直接用该UV采样半球着色图：float3 finalColor = shadingTexture.sample(sampler, lookupUV).rgb;
  如果必须使用像素坐标采样，再乘以着色图的尺寸即可，不过归一化UV是Metal的常规用法。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Brian Spilner