【3D基础】顶点法线与平面法线在光照与PBR中的区别与影响
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。