入门图形学：Texture3D

这次我们学习一下texture3d（又名三维纹理贴图、三向纹理贴图、3d纹理贴图等）。
      照例先上官方：
      百度百科
      UnityManual
      MicrosoftDocs
      官方的标准释义还是更好的，我们阅读才能最准确的了解texture3d，然后再拿过来用。
      常见的texture2d是两个维度的纹理，一张二维平面的纹理，通过uv（float2）进行颜色采样。texture3d则是三个维度的纹理，可能有人会把texture3d想象成texturecube（立体纹理贴图），但却是完全不一样的概念。texturecube可以看做6个texture2d贴到cube六个面，再通过viewpos到centerpos的reflect计算进行采样。
      而texture3d就像一个三维实体的切片纹理组成的集合，按照百度百科说的人体切片就很形象（实际上真有人体切片，我在很早的科教频道中看过死亡的人体进行冰冻后按照0.2mm的厚度进行切片用于科学研究，造业）。texture3d主要应用在体绘制技术中，不同于我们常见的表面绘制（表面绘制就是只绘制表面，我们平时建模建个表面网格再通过texture2d mapping附贴图，穿模就露馅了），体绘制就是三维实体绘制，认为计算机渲染中三维物体和真实世界三维物体一样，则需要通过xyz三个维度进行纹理采样和映射，才能给体绘制的三维物体着色。这类技术我以前在物理仿真、几何构型等计算机技术方向看过，而某些游戏中也有类似的应用，比如物体随机破碎（当然物体破碎也不一定是体绘制，也可以做模型切割补面后再映射新texture2d）。
      那么texture3d怎么用呢？先来看看unity的用法：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using UnityEditor;public class EditorCreateTexture3DTest : Editor
{[MenuItem("GameTools/CreateTexture3D")]static void CreateTexture3D(){// Configure the textureint size = 128;TextureFormat format = TextureFormat.RGBA32;TextureWrapMode wrapMode = TextureWrapMode.Clamp;// Create the texture and apply the configurationTexture3D texture = new Texture3D(size, size, size, format, false);texture.wrapMode = wrapMode;// Create a 3-dimensional array to store color dataColor[] colors = new Color[size * size * size];// Populate the array so that the x, y, and z values of the texture will map to red, blue, and green colorsfloat inverseResolution = 1.0f / (size - 1.0f);for (int z = 0; z < size; z++){int zOffset = z * size * size;for (int y = 0; y < size; y++){int yOffset = y * size;for (int x = 0; x < size; x++){colors[x + yOffset + zOffset] = new Color(x * inverseResolution,y * inverseResolution, z * inverseResolution, 1.0f);}}}// Copy the color values to the texturetexture.SetPixels(colors);// Apply the changes to the texture and upload the updated texture to the GPUtexture.Apply();// Save the texture to your Unity ProjectAssetDatabase.CreateAsset(texture, "Assets/Texture3DApply/testtexture3d.asset");}
}

创建的texture3d如下：

      可以看得出来texture3d的表现形式（虽然unity显示球体，但实际上是立方体），同时容量超过同分辨率的texture2d一个分辨率倍，81024/64=128，可以想象成128个128128的texture2d叠放成立方体。
      接下来我们使用一下：
      首先创建一个可以改变z轴的长方体，如下：
      cs代码：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;[RequireComponent(typeof(MeshFilter))]
[RequireComponent(typeof(MeshRenderer))]
public class TestCubeMeshCreate : MonoBehaviour
{public float dimenLength = 5f;[Range(0.1f, 5f)]public float zDimen = 1f;public Material tex3dMat;private MeshFilter meshFilter;private MeshRenderer meshRender;private Mesh mesh;private float oldZDimen = 0f;void Start(){meshFilter = GetComponent<MeshFilter>();meshRender = GetComponent<MeshRenderer>();meshRender.material = tex3dMat;}void Update(){if (oldZDimen != zDimen){UpdateMesh(zDimen);oldZDimen = zDimen;}}private void UpdateMesh(float zdimen){if (mesh != null){mesh.Clear();}mesh = new Mesh();mesh.vertices = new Vector3[]{new Vector3(0,dimenLength,0),new Vector3(dimenLength,dimenLength,0),new Vector3(dimenLength,0,0),new Vector3(0,0,0),new Vector3(0,dimenLength,zDimen),new Vector3(dimenLength,dimenLength,zDimen),new Vector3(dimenLength,0,zDimen),new Vector3(0,0,zDimen),};//因为vector2的uv维度不够，所以只能用normals做三维纹理映射float nz = zdimen / dimenLength;mesh.normals = new Vector3[]{new Vector3(0,1,0),new Vector3(1,1,0),new Vector3(1,0,0),new Vector3(0,0,0),new Vector3(0,1,nz),new Vector3(1,1,nz),new Vector3(1,0,nz),new Vector3(0,0,nz),};mesh.triangles = new int[]{0,1,2,0,2,3,0,4,5,0,5,1,1,5,6,1,6,2,2,6,7,2,7,3,3,7,4,3,4,0,5,4,7,5,7,6};meshFilter.sharedMesh = mesh;}
}

再写个shader进行三维uvw采样：

Shader "Texture3DApply/Texture3DMappingShader"
{Properties{_3DTex ("Texture3D", 3D) = "white" {}}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 100Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f{float3 normal : NORMAL;float4 vertex : SV_POSITION;};sampler3D _3DTex;float4 _3DTex_ST;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.normal = v.normal;return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{fixed4 col = tex3D(_3DTex, i.normal);return col;}ENDCG}}
}

效果如下：

      gif工具的压缩率还是挺恐怖的，渐变色都压缩成马赛克块了，实际采样是这样：
      可以看得出来，我们使用三个维度的采样计算后，就可以将体绘制表现出来。
      好，以后有时间聊聊texture3d的应用，刚好有个需求有应用到。

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