WebGL学习之法线贴图

Posted 2021-11-26 edwardloveyou

实际效果请看demo：纹理贴图

为了增加额外细节，提升真实感，我们使用了漫反射贴图和高光贴图，它们都是向三角形进行附加纹理。但是从光的视角来看是表面法线向量使表面被视为平坦光滑的表面。以光照算法的视角考虑的话，只有一件事决定物体的形状，那就是垂直于它的法线向量。砖块表面只有一个法向量，表面完全根据这个法向量被以一致的方式照亮。如果每个片元都用不同的法线会怎样？这样我们就可以根据表面细微的细节对法线向量进行改变；这样就会获得一种表面看起来要复杂得多的幻觉：


每个片元使用了自己的法线，我们就可以让光照相信一个表面由很多微小的（垂直于法线向量的）平面所组成，物体表面的细节将会得到极大提升。这种每个片元使用各自的法线，替代一个面上所有片元使用同一个法线的技术叫做法线贴图（normal mapping）或凹凸贴图（bump mapping）。

以上都是从 LearnOpenGL CN 相关的文章摘抄 法线贴图。没办法，WebGL相关比较深入的知识你只能去看openGL，好在原理基本相同，WebGL1就是基于openGL es 2.0，WebGL2就是基于openGL es 3.0。

法线贴图

法线贴图就是用纹理中的颜色向量r、g、b存储法线向量的x、y、z。不过它们有另外的称呼：t (切线)、b (副切线)、n (法线)，它们组成了一个切线空间，被称为TBN坐标系。由于颜色与方向的表示范围有区别，颜色范围是[0,1]，而作为表示位置方向的TBN坐标系则是[-1,1]，那么从法线贴图取出来的值要使用的话，得进行转换。

// 将法线向量转换为范围[-1,1]
vec3 normal = normalize(normal * 2.0 - 1.0);

法线贴图偏蓝是因为所有法线的指向都偏向z轴（0, 0, 1）， 对应于rgb 中的 blue分量，也就是蓝色。法线向量从z轴方向向其他方向轻微偏移，于是颜色也就发生轻微变化，这样看起来便有了一种深度。例如，你可以看到顶部颜色倾向于偏绿，这是因为顶部的法线偏向于指向正y轴方向（0, 1, 0）对应于rgb总的 green分量，也就是绿色。

法线贴图的优点是可以用一个低精度模型表现出非常高的细节，看起来像高精度模型那样。

只需要500个三角形的简单网格加上法线贴图就能达到媲美4M个三角形的精细网格模型的效果，可以说法线贴图优势巨大，处理4M个三角形的复杂度简直不可想象。

但法线贴图也不是万能的，它也有缺点。因为它只是改变了物体表面的光照计算方式，所以不适合用在凹凸起伏较大的物体上，这些物体会有遮挡的效果，法线贴图是无法实现的。

而文章 法线贴图 里面有很详细的原理讲解和切线推导过程，最后求出如下的公式，我这里也不再叙述了。

着色器

我这里使用了另外一种更加方便的算法，能达到同样的效果，原理就是使用导数(dFdx/dFdy)求出每个像素在插值化传值过来的点的变化率当成一个法线，请看函数 dHdxy_fwd。然后再通过与当前平面的法向量进行叉积 (cross)，即可求得同时垂直于这两个方向的法向量，请看函数 perturbNormalArb，而最终的这个法向量就是我们所要求的值，非常地高明。下面是glsl 内置的几个关键函数。

dFdx(p) //在x方向的偏导数
dFdy(p) //在y方向的偏导数
cross(p0,p1) //向量p0,p1的叉乘

我们用到的求导函数 dFdx / dFdy，在WebGL1是需要开启扩展的，顶点着色器无需变动，主要变动的是片元着色器。具体的计算过程，请看如下片元着色器代码：

#extension GL_OES_standard_derivatives : enable// 注意要开启该扩展
//...
uniform sampler2D u_diffMap;
uniform sampler2D u_specMap;
uniform sampler2D u_normMap;
//...
vec2 dHdxy_fwd() {
    vec2 dSTdx = dFdx( v_texcoord );
    vec2 dSTdy = dFdy( v_texcoord );
    float Hll = bumpScale * texture2D( u_normMap, v_texcoord ).x;
    float dBx = bumpScale * texture2D( u_normMap, v_texcoord + dSTdx ).x - Hll;
    float dBy = bumpScale * texture2D( u_normMap, v_texcoord + dSTdy ).x - Hll;
    return vec2( dBx, dBy );
}
vec3 perturbNormalArb( vec3 surf_pos, vec3 surf_norm, vec2 dHdxy ) {
    vec3 vSigmaX = vec3( dFdx( surf_pos.x ), dFdx( surf_pos.y ), dFdx( surf_pos.z ) );
    vec3 vSigmaY = vec3( dFdy( surf_pos.x ), dFdy( surf_pos.y ), dFdy( surf_pos.z ) );
    vec3 vN = surf_norm;
    vec3 R1 = cross( vSigmaY, vN );
    vec3 R2 = cross( vN, vSigmaX );
    float fDet = dot( vSigmaX, R1 );
    fDet *= ( float( gl_FrontFacing ) * 2.0 - 1.0 );
    vec3 vGrad = sign( fDet ) * ( dHdxy.x * R1 + dHdxy.y * R2 );
    return normalize( abs( fDet ) * surf_norm - vGrad );
}

//...
// 从法线贴图计算出逐像素法线向量
vec3 normal = normal = perturbNormalArb( -v_position, normal, dHdxy_fwd());
//...
// 总的光照
gl_FragColor = vec4(ambient + diffuse + specular, diffuseColor.a);

最后效果请看demo：纹理贴图

后记

相关资料 LearnOpenGL CN