计算机图形学编程(使用OpenGL和C++)(第2版)学习笔记 10.增强表面细节(二）法线贴图

1. 法线贴图（Normal Mapping）

法线贴图是一种在3D图形渲染中广泛使用的表面细节增强技术。它通过存储每个像素的法线信息来模拟表面的细微凹凸细节，而无需增加实际的几何复杂度。

1.1. 工作原理

1. 纹理存储

   • 使用RGB通道存储法线向量的XYZ分量
   • 通常呈现出偏蓝色的外观（因为默认法线指向Z轴）
   • 每个像素都包含表面法线方向信息

2. 切线空间

   • 法线贴图通常在切线空间（TBN空间）中定义
   • 包含切线(Tangent)、副切线(Bitangent)和法线(Normal)
   • 便于将法线信息应用到任意曲面

1.2. 优势

• 高效率

  • 不增加模型的多边形数量
  • 能够呈现出丰富的表面细节
  • 性能开销相对较小

• 灵活性

  • 可以与其他贴图技术结合使用
  • 适用于静态和动态物体
  • 便于美术人员制作和修改

1.3. 应用场景

• 游戏角色的皮肤细节
• 建筑物表面的砖块纹理
• 布料的褶皱效果
• 地形的细节增强

1.4. TBN空间

TBN空间（Tangent Space）是法线贴图中的一个关键概念，它由三个相互垂直的向量构成：切线(Tangent)、副切线(Bitangent)和法线(Normal)。

1. T - 切线(Tangent)

   • 沿着纹理坐标U方向的向量
   • 通常与物体表面相切
   • 在顶点着色器中计算

2. B - 副切线(Bitangent)

   • 沿着纹理坐标V方向的向量
   • 与切线和法线都垂直
   • 可以通过叉积计算：B = N × T

3. N - 法线(Normal)

   • 垂直于物体表面的向量
   • 决定了表面的朝向
   • 由模型数据提供

1.5. TBN矩阵的作用

// TBN矩阵的构建
mat3 TBN = mat3(T, B, N);

主要用途：

• 将法线贴图中的法线向量从切线空间转换到世界空间
• 保证法线方向在任意曲面上都正确
• 使法线贴图可以在不同的表面上重复使用

1.6. 优势

• 空间一致性：保证法线方向在任何表面都能正确表现
• 可重用性：同一个法线贴图可以应用到不同的模型上
• 精确性：提供了准确的法线方向计算

1.7. 实现流程

可以在顶点着色器中计算TBN矩阵，并在片段着色器中应用它，也