3D 纹理

3D 纹理是位图图像，其中包含三维信息，而不是标准的二维信息。3D 纹理通常用于仿真诸如雾或烟的体积效果，模拟体积 3D 网格，或存储动画纹理并在这些动画纹理之间平滑混合。

在 Unity 项目中，Unity Editor 将 3D 纹理表示为纹理资源。要配置纹理资源的导入设置，可选择该纹理资源并使用 Inspector，或者编写一个使用 TextureImporter API 的脚本。

在 Unity 引擎中，Unity 使用 Texture3D 类来表示 3D 纹理。使用此类可以在 C# 脚本中与 3D 纹理进行交互。

3D 纹理大小

3D 纹理的最大分辨率为 2048 x 2048 x 2048。

请注意，随着分辨率的提高，3D 纹理在内存中和磁盘上的大小会迅速增加。一个没有 Mipmap 且分辨率为 16 x 16 x 16 的 RGBA32 3D 纹理具有 128KB 的大小，而分辨率为 256 x 256 x 256 时则具有 512MB 的大小。

创建 3D 纹理

要在项目中创建 3D 纹理，必须使用脚本。

下面的示例是一个 Editor 脚本，该脚本创建一个 Texture3D 类的实例，用颜色数据填充该实例，然后作为纹理资源保存到项目中。

using UnityEditor;
using UnityEngine;

public class ExampleEditorScript : MonoBehaviour
{
    [MenuItem("CreateExamples/3DTexture")]
    static void CreateTexture3D()
    {
        // 配置纹理
        int size = 32;
        TextureFormat format = TextureFormat.RGBA32;
        TextureWrapMode wrapMode =  TextureWrapMode.Clamp;

        // 创建纹理并应用配置
        Texture3D texture = new Texture3D(size, size, size, format, false);
        texture.wrapMode = wrapMode;

        // 创建 3 维数组以存储颜色数据
        Color[] colors = new Color[size * size * size];

        // 填充数组，使纹理的 x、y 和 z 值映射为红色、蓝色和绿色
        float 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);
                }
            }
        }

        // 将颜色值复制到纹理
        texture.SetPixels(colors);

        // 将更改应用到纹理，然后将更新的纹理上传到 GPU
        texture.Apply();        

        // 将纹理保存到 Unity 项目
        AssetDatabase.CreateAsset(texture, "Assets/Example3DTexture.asset");
    }
}

在着色器中使用 3D 纹理

下面是一个使用 3D 纹理来可视化体积的简单光线追踪 (Raymarching) 着色器示例。

Shader "Unlit/VolumeShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 3D) = "white" {}
        _Alpha ("Alpha", float) = 0.02
        _StepSize ("Step Size", float) = 0.01
    }
    SubShader
    {
        Tags { "Queue" = "Transparent" "RenderType" = "Transparent" }
        Blend One OneMinusSrcAlpha
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            // 最大光线追踪样本数
            #define MAX_STEP_COUNT 128

            // 允许的浮点数误差
            #define EPSILON 0.00001f

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 objectVertex : TEXCOORD0;
                float3 vectorToSurface : TEXCOORD1;
            };

            sampler3D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;
            float _Alpha;
            float _StepSize;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;

                // 对象空间中的顶点将成为光线追踪的起点
                o.objectVertex = v.vertex;

                // 计算世界空间中从摄像机到顶点的矢量
                float3 worldVertex = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                o.vectorToSurface = worldVertex - _WorldSpaceCameraPos;

                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                return o;
            }

            float4 BlendUnder(float4 color, float4 newColor)
            {
                color.rgb += (1.0 - color.a) * newColor.a * newColor.rgb;
                color.a += (1.0 - color.a) * newColor.a;
                return color;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                // 开始在对象的正面进行光线追踪
                float3 rayOrigin = i.objectVertex;

                // 使用摄像机到对象表面的矢量获取射线方向
                float3 rayDirection = mul(unity_WorldToObject, float4(normalize(i.vectorToSurface), 1));

                float4 color = float4(0, 0, 0, 0);
                float3 samplePosition = rayOrigin;

                // 穿过对象空间进行光线追踪
                for (int i = 0; i < MAX_STEP_COUNT; i++)
                {
                    // 仅在单位立方体边界内累积颜色
                    if(max(abs(samplePosition.x), max(abs(samplePosition.y), abs(samplePosition.z))) < 0.5f + EPSILON)
                    {
                        float4 sampledColor = tex3D(_MainTex, samplePosition + float3(0.5f, 0.5f, 0.5f));
                        sampledColor.a *= _Alpha;
                        color = BlendUnder(color, sampledColor);
                        samplePosition += rayDirection * _StepSize;
                    }
                }

                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

如果将此着色器用于在页面顶部的示例中创建的 3D 纹理，则结果将如下所示：