什么是法线贴图（Normal Mapping）

法线贴图（Normal Mapping）概述

1. 什么是法线贴图

法线贴图是一种特殊的纹理，它在每个像素上存储了表面法线的方向信息（X、Y、Z 分量），而不是颜色本身。通过在渲染时读取这些法线向量，光照计算能够感知到细微的凹凸细节，从而在低多边形模型上呈现出类似高多边形模型的立体感。

2. 工作原理

1. 法线向量的编码
   • 法线是指向表面外侧的单位向量。法线贴图把每个法线的 X、Y、Z 分量分别映射到 RGB 通道（R→X，G→Y，B→Z），并将 ‑1~1 的范围线性压缩到 0~1（或 0~255）之间。
   • 由于大多数法线在切线空间中指向正 Z 方向，法线贴图整体呈现偏蓝的颜色。
2. 坐标空间
   • 切线空间（Tangent Space）‍：在每个三角形上构建局部坐标系（切线 T、位切线 B、法线 N），法线贴图在该空间中存储法线向量，使其能够随模型的变形保持正确。
   • 对象/世界空间：法线直接存储在模型或世界坐标系中，适用于不需要变形的静态模型，但灵活性较差。
3. 渲染流程
   • 顶点着色器：计算并输出切线、位切线、法线的变换矩阵（TBN 矩阵），将它们从模型空间转换到观察空间。
   • 片段着色器：在每个像素处采样法线贴图，解码得到法线向量，再通过 TBN 矩阵把该向量转换回观察空间或世界空间，最后与光照方向做点乘得到光照强度。
   • 这样即使几何体本身仍是低面数，光照效果却表现出细腻的凹凸细节。

3. 法线贴图的生成

4. 优势与局限

优势

• 显著提升细节：在不增加几何体顶点数的前提下，实现高质量的凹凸感。
• 性能友好：相比增加多边形，纹理采样的开销更低，适合实时渲染（游戏、VR 等）。
• 兼容多光源：法线贴图与标准光照模型（Phong、Blinn‑Phong、PBR）均可直接结合。

局限

• 只能模拟细微凹凸：大幅度的几何变形仍需真实的顶点位移（如位移贴图）。
• 视角依赖：法线贴图只影响光照方向，无法产生真实的自阴影或轮廓变化。
• 需要正确的切线空间：若模型的切线、位切线计算错误，法线贴图会出现扭曲或翻转现象。

5. 常见应用场景

• 游戏角色与装备：皮肤、金属、布料等表面细节的增强。
• 环境模型：岩石、墙面、地面等大面积材质的凹凸表现。
• 特效与虚拟现实：在保持高帧率的同时提升沉浸感。
• 电影与动画预览：快速迭代材质外观，后期再使用高模渲染。

6. 实践建议

1. 选择合适的坐标空间：大多数实时渲染使用切线空间法线贴图，以兼容模型动画和变形。
2. 保持法线贴图的蓝色基调：在编辑时避免过度压暗或压亮蓝通道，以免导致光照失真。
3. 使用 TBN 矩阵进行空间转换：确保在顶点着色器中输出正确的切线、位切线、法线向量。
4. 压缩纹理时检查质量：BC5/BC7 能在保持细节的同时降低显存占用，适合移动端。
5. 调试技巧：在片段着色器中直接输出采样得到的法线颜色（RGB），可以快速定位贴图坐标或切线空间错误。

总结
法线贴图通过在 2D 纹理中编码法线向量，实现了在低多边形模型上呈现高细节光照效果的技术手段。它的核心是 RGB 编码的法线、切线空间的坐标变换以及在光照计算中的使用。凭借高效、灵活的特性，法线贴图已成为现代实时渲染（尤其是游戏和交互式 3D）不可或缺的材质技术。