25 | 如何用法线贴图模拟真实物体表面

月影

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该思维导图由 AI 生成，仅供参考

你好，我是月影。
上节课，我们讲了光照的 Phong 反射模型，并使用它给几何体添加了光照效果。不过，我们使用的几何体表面都是平整的，没有凹凸感。而真实世界中，大部分物体的表面都是凹凸不平的，这肯定会影响光照的反射效果。
因此，只有处理好物体凹凸表面的光照效果，我们才能更加真实地模拟物体表面。在图形学中就有一种对应的技术，叫做法线贴图。今天，我们就一起来学习一下。
如何使用法线贴图给几何体表面增加凹凸效果？那什么是法线贴图？我们直接通过一个例子来理解。
首先，我们用 Phong 反射模型绘制一个灰色的立方体，并给它添加两道平行光。具体的代码和效果如下：
import {Phong, Material, vertex as v, fragment as f} from '../common/lib/phong.js';
const scene = new Transform();
const phong = new Phong();
phong.addLight({
  direction: [0, -3, -3],
});
phong.addLight({
  direction: [0, 3, 3],
});
const matrial = new Material(new Color('#808080'));
const program = new Program(gl, {
  vertex: v,
  fragment: f,
  uniforms: {
    ...phong.uniforms,
    ...matrial.uniforms,
  },
});
const geometry = new Box(gl);
const cube = new Mesh(gl, {geometry, program});
cube.setParent(scene);
cube.rotation.x = -Math.PI / 2;
现在这个立方体的表面是光滑的，如果我们想在立方体的表面贴上凹凸的花纹。我们可以加载一张法线纹理，这是一张偏蓝色调的纹理图片。
const normalMap = await loadTexture('../assets/normal_map.png');
为什么这张纹理图片是偏蓝色调的呢？实际上，这张纹理图片保存的是几何体表面的每个像素的法向量数据。我们知道，正常情况下，光滑立方体每个面的法向量是固定的，如下图所示：
但如果表面有凹凸的花纹，那不同位置的法向量就会发生变化。在切线空间中，因为法线都偏向于 z 轴，也就是法向量偏向于 (0,0,1)，所以转换成的法线纹理就偏向于蓝色。如果我们根据花纹将每个点的法向量都保存下来，就会得到上面那张法线纹理的图片。

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总结

本文深入介绍了法线贴图技术及其应用。首先通过Phong反射模型绘制灰色立方体并添加光照效果，然后详细解释了法线贴图的概念和作用。法线贴图是一种纹理图片，保存了几何体表面每个像素的法向量数据，用于模拟凹凸效果。文章还解释了切线空间的概念和计算方法，以及如何通过UV坐标和点的坐标计算切线和副切线。通过这些技术，读者可以了解如何使用法线贴图给几何体表面增加凹凸效果，从而更真实地模拟物体表面。此外，文章介绍了两种实现法线贴图的方法。一种是通过构建TBN矩阵来计算法向量，需要计算几何体的切线和副切线，然后得到TBN矩阵，用TBN矩阵和法线纹理数据来计算法向量。另一种更巧妙的方法是使用偏导数来实现法线贴图，不需要预先计算几何体的切线和副切线，而是直接用坐标插值和法线纹理来计算。这两种方法各有利弊，读者可以根据实际情况选择合适的方案。最后，文章提到了法线贴图的应用，除了给几何体表面增加花纹以外，还可以用来增强物体细节，让物体看起来更加真实。这些技术和应用可以帮助读者更好地理解和应用法线贴图，从而提升物体表面的真实感和细节表现。

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西门吹雪
感觉越看越难是数学不好吗
作者回复: 不要急，循序渐进
2020-12-23

1
阿不晕
法线贴图包含颜色信息么。
2022-08-24归属地：浙江


Geek_29c515
老师，您好，看了这么案例特效都是基于图形或图片的，我想掌握glsl动态文字或艺术字相关的，有什么思路或建议吗？
2021-04-20
1


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