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【3D基础】顶点法线与平面法线在光照与PBR中的区别与影响

news 来源：原创 2025/7/14 22:01:34

顶点法线与平面法线在光照与PBR中的区别与影响

在3D图形学中，法线（Normal）是影响光照计算、表面细节表现和渲染质量的核心参数之一。法线用于描述一个表面或顶点的朝向，直接关系到光的反射与分布，从而影响最终像素的颜色。在基于物理的渲染（Physically Based Rendering，简称PBR）中，法线扮演着尤为重要的角色。

本篇文章将系统梳理顶点法线（Vertex Normal）与平面法线（Face Normal）的概念、区别、用途及其在光照模型和PBR参数中的作用，助你深入理解现代图形渲染系统的法线计算原理。

一、法线的基本定义

1.1 顶点法线（Vertex Normal）

顶点法线是定义在模型顶点上的单位向量，表示该顶点处表面的朝向。在渲染管线中，顶点法线通常用于插值以在片元着色器中得到片元法线，从而实现平滑的光照效果。

顶点法线 = 邻接面法线的加权平均（通常是面积加权）

当两个相邻三角面之间角度较小时，顶点法线会在它们之间插值，产生柔和的过渡。

1.2 平面法线（Face Normal）

平面法线是定义在三角形面上的单位向量，垂直于该三角形所在的平面，用于描述该三角面朝向。

计算方式为：

N = normalize(cross(v1 - v0, v2 - v0))

其中 v0, v1, v2 是三角形的三个顶点，cross 表示叉乘，normalize 表示单位化。

平面法线在 flat shading（平面着色）中起主导作用。

二、顶点法线与平面法线的区别

项目	顶点法线	平面法线
定义位置	顶点	三角面
渲染方式	smooth shading（光滑）	flat shading（平面）
插值方式	渲染时在顶点间插值	不插值，每个面一条法线
表现效果	柔和、连续	立体、断裂感强
计算方式	邻接面法线加权平均	三角面法线计算
用途	PBR光照、法线贴图	模拟硬边、调试法线

三、法线与光照模型的关系

在光照模型中，法线用于确定光线入射角与观察角，是计算镜面反射与漫反射的关键向量之一。

以 Blinn-Phong 模型为例：

漫反射项：diff = max(dot(N, L), 0)
镜面反射项：spec = pow(max(dot(N, H), 0), shininess)

其中：

N：法线向量
L：光源方向
H：视线与光线的中间向量

错误或不连贯的法线将直接导致光照错误，比如光斑断裂、明暗不均等。

四、PBR中的法线作用

PBR（Physically Based Rendering）更精确地模拟现实世界中的光照行为，在其中，法线的准确性尤为重要。

4.1 法线影响的PBR参数

参数	是否受法线影响	描述
BaseColor	否	颜色本身不受法线影响
Roughness	否	粗糙度影响微表面反射，但不依赖法线
Metallic	否	金属度用于决定反射模型
Normal Map	是	通过扰动法线增强微表面细节
AO（Ambient Occlusion）	是间接影响	衰减环境光，依赖几何法线计算遮蔽关系

4.2 法线贴图如何工作

法线贴图（Normal Map）使用纹理编码方式来微扰像素法线，从而模拟表面凹凸感而无需增加几何面数。

法线贴图提供切线空间下的法线偏移量
在片元着色器中，将其转换为世界/视图空间下法线
替代插值得到的原始法线用于光照计算

这使得原本平坦的面看起来具有立体纹理，大大提高细节表现力而不牺牲性能。

五、顶点法线和平面法线对软边与硬边的影响

5.1 软边（Smooth Edge）

顶点法线一致，相邻面共享同一顶点及其法线
插值形成柔和的光照过渡
通常用于有机模型（角色、布料等）

5.2 硬边（Hard Edge）

相邻面拆分顶点，每个面独立分配顶点法线（等于平面法线）
渲染时光照在边缘直接断裂，产生明显折线
常见于机械模型、建筑、石材等硬朗物体

5.3 Blender中硬边实现方式

使用「Mark Sharp」+ Auto Smooth
或者直接拆分法线：Mesh → Normals → Split Normals

六、渲染系统中如何选择使用哪种法线

现代渲染系统通常按以下优先级处理：

默认使用顶点法线进行插值（smooth shading）
如果启用了 flat shading，则使用平面法线
如果有法线贴图，会叠加或替代插值后的法线
如果材质或 shader 自定义了法线，使用自定义值

结论：实际渲染中多数情况下以顶点法线为主，面法线仅在 flat shading 或特殊调试时使用

七、错误法线带来的渲染问题

顶点法线方向错误：光照方向反了，产生“内凹”效果或全黑
平面法线错误/翻转：面朝里渲染不出来或阴影错乱
未正确设置硬边：机械模型变得奇怪柔和，不符合实际材质
错误的法线贴图空间：如世界空间法线贴图错用切线空间，产生严重变形

八、结语

理解并正确使用顶点法线与平面法线，对于构建高质量渲染效果至关重要。它们不仅影响视觉美观性，也直接影响光照和材质表现。

在实际工作中，应根据模型的特点与需求，选择合适的法线策略——软硬边设置、法线贴图处理、着色器中法线插值逻辑等，才能实现真实、高效的渲染表现。

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