WebGL 法线数据详解

WebGL法线数据解析与应用
原创 于 2025-09-19 10:34:34 发布 · 696 阅读 · 19 ·
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WebGL 法线数据详解

1. 法线数据的作用

1.1 光照计算

法线是光照计算的核心:

  • 决定光线与表面的夹角
  • 影响漫反射和镜面反射强度
  • 控制高光的位置和形状

源码中的光照计算:

// src/renderers/shaders/ShaderChunk/lights_physical_fragment.glsl.js
vec3 normal = normalize(vNormal);
float NdotL = dot(normal, lightDirection);
float diffuse = max(0.0, NdotL);

1.2 表面细节模拟

法线贴图技术:

  • 在不增加几何复杂度的情况下增加表面细节
  • 通过修改法线方向模拟凹凸效果
  • 广泛应用于游戏和实时渲染

1.3 视觉效果增强

法线数据支持的视觉效果:

  • 平滑着色 (Smooth Shading)
  • 法线贴图 (Normal Mapping)
  • 环境映射 (Environment Mapping)
  • 菲涅尔效果 (Fresnel Effect)

2. 法线数据的分类

2.1 按计算方式分类

2.1.1 面法线 (Face Normals)

定义: 每个三角形面的法线向量

源码实现:

// src/core/BufferGeometry.js
computeVertexNormals() {
    const index = this.index;
    const positionAttribute = this.getAttribute('position');
    
    if (positionAttribute !== undefined) {
        let normalAttribute = this.getAttribute('normal');
        
        if (normalAttribute === undefined) {
            normalAttribute = new BufferAttribute(
                new Float32Array(positionAttribute.count * 3), 3
            );
            this.setAttribute('normal', normalAttribute);
        }
        
        // 计算每个面的法线
        for (let i = 0, il = index.count; i < il; i += 3) {
            const vA = index.getX(i + 0);
            const vB = index.getX(i + 1);
            const vC = index.getX(i + 2);
            
            // 获取三个顶点位置
            pA.fromBufferAttribute(positionAttribute, vA);
            pB.fromBufferAttribute(positionAttribute, vB);
            pC.fromBufferAttribute(positionAttribute, vC);
            
            // 计算面法线: (C-B) × (A-B)
            cb.subVectors(pC, pB);
            ab.subVectors(pA, pB);
            cb.cross(ab);
            
            // 累加到顶点法线
            nA.fromBufferAttribute(normalAttribute, vA);
            nB.fromBufferAttribute(normalAttribute, vB);
            nC.fromBufferAttribute(normalAttribute, vC);
            
            nA.add(cb);
            nB.add(cb);
            nC.add(cb);
            
            normalAttribute.setXYZ(vA, nA.x, nA.y, nA.z);
            normalAttribute.setXYZ(vB, nB.x, nB.y, nB.z);
            normalAttribute.setXYZ(vC, nC.x, nC.y, nC.z);
        }
        
        this.normalizeNormals();
    }
}
2.1.2 顶点法线 (Vertex Normals)

定义: 每个顶点的法线向量，通常是相邻面法线的平均值

计算过程:

  1. 计算所有相邻面的法线
  2. 对法线进行加权平均
  3. 归一化结果

源码实现:

// src/core/BufferGeometry.js
normalizeNormals() {
    const normals = this.attributes.normal;
    
    for (let i = 0, il = normals.count; i < il; i++) {
        _vector.fromBufferAttribute(normals, i);
        _vector.normalize();
        normals.setXYZ(i, _vector.x, _vector.y, _vector.z);
    }
}

2.2 按坐标系分类

2.2.1 切线空间法线 (Tangent Space Normals)

定义: 相对于表面切线空间的法线

特点:

  • 法线贴图的标准格式
  • 独立于模型变换
  • 支持表面细节模拟

源码实现:

// src/constants.js
export const TangentSpaceNormalMap = 0;

// src/renderers/shaders/ShaderChunk/normalmap_pars_fragment.glsl.js
#ifdef USE_NORMALMAP_TANGENTSPACE
    vec3 mapN = texture2D(normalMap, vNormalMapUv).xyz * 2.0 - 1.0;
    mapN.xy *= normalScale;
    normal = normalize(tbn * mapN);
#endif

切线空间计算:

// src/renderers/shaders/ShaderChunk/normalmap_pars_fragment.glsl.js
mat3 getTangentFrame(vec3 eye_pos, vec3 surf_norm, vec2 uv) {
    vec3 q0 = dFdx(eye_pos.xyz);
    vec3 q1 = dFdy(eye_pos.xyz);
    vec2 st0 = dFdx(uv.st);
    vec2 st1 = dFdy(uv.st);
    
    vec3 N = surf_norm; // 法线
    vec3 q1perp = cross(q1, N);
    vec3 q0perp = cross(N, q0);
    
    vec3 T = q1perp * st0.x + q0perp * st1.x; // 切线
    vec3 B = q1perp * st0.y + q0perp * st1.y; // 副切线
    
    float det = max(dot(T, T), dot(B, B));
    float scale = (det == 0.0) ? 0.0 : inversesqrt(det);
    
    return mat3(T * scale, B * scale, N);
}
2.2.2 对象空间法线 (Object Space Normals)

定义: 相对于模型对象空间的法线

特点:

  • 直接使用模型坐标系
  • 需要法线矩阵变换
  • 适用于简单场景

源码实现:

// src/constants.js
export const ObjectSpaceNormalMap = 1;

// src/renderers/shaders/ShaderChunk/normal_fragment_maps.glsl.js
#ifdef USE_NORMALMAP_OBJECTSPACE
    normal = texture2D(normalMap, vNormalMapUv).xyz * 2.0 - 1.0;
    
    #ifdef FLIP_SIDED
        normal = -normal;
    #endif
    
    #ifdef DOUBLE_SIDED
        normal = normal * faceDirection;
    #endif
    
    normal = normalize(normalMatrix * normal);
#endif

2.3 按存储格式分类

2.3.1 几何法线 (Geometry Normals)

存储位置: BufferGeometry.attributes.normal

格式: Float32Array，每个顶点3个分量 (x, y, z)

源码定义:

// src/core/BufferGeometry.js
class BufferGeometry {
    constructor() {
        this.attributes = {};
        // normal 属性存储顶点法线
    }
    
    setAttribute(name, attribute) {
        this.attributes[name] = attribute;
    }
    
    getAttribute(name) {
        return this.attributes[name];
    }
}
2.3.2 法线贴图 (Normal Maps)

存储位置: Material.normalMap

格式: 纹理贴图，RGB通道存储法线信息

源码实现:

// src/renderers/webgl/WebGLPrograms.js
const HAS_NORMALMAP = !!material.normalMap;

// 法线贴图参数
parameters = {
    normalMap: HAS_NORMALMAP,
    normalMapObjectSpace: HAS_NORMALMAP && material.normalMapType === ObjectSpaceNormalMap,
    normalMapTangentSpace: HAS_NORMALMAP && material.normalMapType === TangentSpaceNormalMap,
    normalMapUv: HAS_NORMALMAP && getChannel(material.normalMap.channel),
    normalScale: material.normalScale
};

3. 法线数据的应用场景

3.1 基础光照模型

Lambert 漫反射:

// src/renderers/shaders/ShaderChunk/lights_lambert_fragment.glsl.js
vec3 normal = normalize(vNormal);
float NdotL = dot(normal, lightDirection);
float diffuse = max(0.0, NdotL);
vec3 diffuseColor = diffuse * lightColor;

Phong 镜面反射:

// src/renderers/shaders/ShaderChunk/lights_phong_fragment.glsl.js
vec3 normal = normalize(vNormal);
vec3 viewDirection = normalize(cameraPosition - vWorldPosition);
vec3 reflectDirection = reflect(-lightDirection, normal);
float specular = pow(max(dot(viewDirection, reflectDirection), 0.0), shininess);

3.2 法线贴图应用

切线空间法线贴图:

// 材质设置
const material = new THREE.MeshStandardMaterial({
    normalMap: normalTexture,
    normalMapType: THREE.TangentSpaceNormalMap,
    normalScale: new THREE.Vector2(1, 1)
});

// 着色器处理
#ifdef USE_NORMALMAP_TANGENTSPACE
    vec3 mapN = texture2D(normalMap, vNormalMapUv).xyz * 2.0 - 1.0;
    mapN.xy *= normalScale;
    normal = normalize(tbn * mapN);
#endif

对象空间法线贴图:

// 材质设置
const material = new THREE.MeshStandardMaterial({
    normalMap: normalTexture,
    normalMapType: THREE.ObjectSpaceNormalMap
});

// 着色器处理
#ifdef USE_NORMALMAP_OBJECTSPACE
    normal = texture2D(normalMap, vNormalMapUv).xyz * 2.0 - 1.0;
    normal = normalize(normalMatrix * normal);
#endif

3.3 环境映射

环境反射:

// src/renderers/shaders/ShaderChunk/envmap_fragment.glsl.js
vec3 normal = normalize(vNormal);
vec3 reflectDirection = reflect(viewDirection, normal);
vec3 envColor = textureCube(envMap, reflectDirection).rgb;

环境折射:

vec3 normal = normalize(vNormal);
vec3 refractDirection = refract(viewDirection, normal, refractionRatio);
vec3 envColor = textureCube(envMap, refractDirection).rgb;

4. 法线数据的优化策略

4.1 法线压缩

压缩存储:

// 使用 16 位浮点数存储法线
const normalAttribute = new THREE.BufferAttribute(
    new Float16Array(normalData), 3
);

法线量化:

// 将法线量化到 8 位
function quantizeNormal(normal) {
    return {
        x: Math.round(normal.x * 127) / 127,
        y: Math.round(normal.y * 127) / 127,
        z: Math.round(normal.z * 127) / 127
    };
}

4.2 法线生成优化

增量法线计算:

// 只计算变化的部分
function updateNormals(geometry, changedFaces) {
    const normalAttribute = geometry.getAttribute('normal');
    
    changedFaces.forEach(faceIndex => {
        // 只更新受影响的面
        updateFaceNormal(faceIndex, normalAttribute);
    });
}

法线缓存:

// 缓存计算好的法线
const normalCache = new Map();

function getCachedNormals(geometry) {
    const key = geometry.uuid;
    if (!normalCache.has(key)) {
        normalCache.set(key, computeNormals(geometry));
    }
    return normalCache.get(key);
}

4.3 法线贴图优化

法线贴图压缩:

// 使用压缩纹理格式
const normalTexture = new THREE.TextureLoader().load('normal.jpg');
normalTexture.format = THREE.RGBFormat;
normalTexture.minFilter = THREE.LinearMipmapLinearFilter;
normalTexture.magFilter = THREE.LinearFilter;

法线贴图 LOD:

// 根据距离选择不同精度的法线贴图
function getNormalMapLOD(distance) {
    if (distance < 10) return highResNormalMap;
    if (distance < 50) return mediumResNormalMap;
    return lowResNormalMap;
}

5. 法线数据的调试技巧

5.1 法线可视化

法线颜色映射:

// 将法线映射到颜色
function visualizeNormals(geometry) {
    const normalAttribute = geometry.getAttribute('normal');
    const colorAttribute = new THREE.BufferAttribute(
        new Float32Array(normalAttribute.count * 3), 3
    );
    
    for (let i = 0; i < normalAttribute.count; i++) {
        const normal = new THREE.Vector3();
        normal.fromBufferAttribute(normalAttribute, i);
        
        // 法线范围 [-1,1] 映射到颜色范围 [0,1]
        colorAttribute.setXYZ(i, 
            normal.x * 0.5 + 0.5,
            normal.y * 0.5 + 0.5,
            normal.z * 0.5 + 0.5
        );
    }
    
    geometry.setAttribute('color', colorAttribute);
}

法线箭头显示:

// 使用 ArrowHelper 显示法线
function showNormals(geometry) {
    const normalAttribute = geometry.getAttribute('normal');
    const positionAttribute = geometry.getAttribute('position');
    
    for (let i = 0; i < normalAttribute.count; i += 10) { // 每10个顶点显示一个
        const position = new THREE.Vector3();
        const normal = new THREE.Vector3();
        
        position.fromBufferAttribute(positionAttribute, i);
        normal.fromBufferAttribute(normalAttribute, i);
        
        const arrow = new THREE.ArrowHelper(
            normal, position, 0.1, 0xff0000
        );
        scene.add(arrow);
    }
}

5.2 法线错误检测

法线长度检查:

function validateNormals(geometry) {
    const normalAttribute = geometry.getAttribute('normal');
    
    for (let i = 0; i < normalAttribute.count; i++) {
        const normal = new THREE.Vector3();
        normal.fromBufferAttribute(normalAttribute, i);
        
        const length = normal.length();
        if (Math.abs(length - 1.0) > 0.01) {
            console.warn(`Normal at index ${i} has length ${length}, should be 1.0`);
        }
    }
}

法线方向检查:

function checkNormalDirections(geometry) {
    const normalAttribute = geometry.getAttribute('normal');
    const positionAttribute = geometry.getAttribute('position');
    
    for (let i = 0; i < normalAttribute.count; i++) {
        const normal = new THREE.Vector3();
        const position = new THREE.Vector3();
        
        normal.fromBufferAttribute(normalAttribute, i);
        position.fromBufferAttribute(positionAttribute, i);
        
        // 检查法线是否指向外部
        const dotProduct = normal.dot(position.normalize());
        if (dotProduct < 0) {
            console.warn(`Normal at index ${i} points inward`);
        }
    }
}

6. 最佳实践

6.1 法线数据管理

统一法线计算:

// 确保所有几何体都有正确的法线
function ensureNormals(geometry) {
    if (!geometry.getAttribute('normal')) {
        geometry.computeVertexNormals();
    }
    
    // 检查法线是否需要更新
    if (geometry.attributes.normal.needsUpdate) {
        geometry.computeVertexNormals();
    }
}

法线数据验证:

function validateGeometry(geometry) {
    const normalAttribute = geometry.getAttribute('normal');
    
    if (!normalAttribute) {
        console.error('Geometry missing normal attribute');
        return false;
    }
    
    if (normalAttribute.itemSize !== 3) {
        console.error('Normal attribute should have itemSize 3');
        return false;
    }
    
    return true;
}

6.2 性能优化建议

法线计算优化:

// 只在需要时计算法线
function updateGeometry(geometry, needsNormals = false) {
    if (needsNormals && !geometry.getAttribute('normal')) {
        geometry.computeVertexNormals();
    }
}

法线贴图优化:

// 使用合适的法线贴图格式
const normalTexture = new THREE.TextureLoader().load('normal.jpg');
normalTexture.wrapS = THREE.RepeatWrapping;
normalTexture.wrapT = THREE.RepeatWrapping;
normalTexture.generateMipmaps = true;
normalTexture.minFilter = THREE.LinearMipmapLinearFilter;

通过深入理解法线数据的作用和分类，开发者可以更好地利用 WebGL 的渲染能力，创建更真实和高效的 3D 图形效果。关键是要根据具体应用场景选择合适的法线类型和优化策略。

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