OpenGL 法线

法线是垂直于物体表面的“方向箭头”，用来告诉计算机这个面朝哪边，从而计算光照、阴影、反射等效果

一. 定义

• 几何定义：法线是一个单位向量（长度为1的箭头），垂直于物体表面

  • 平面：所有点的法线方向相同

  • 曲面：每个点的法线方向不同（如球体）

• 在计算机图形学中：法线通常用 (x, y, z) 三个数值表示，范围在 [-1, 1]

二. OpenGL 法线用途

法线的主要作用是告诉光照系统“表面朝哪边”，从而影响视觉效果

1. 计算光照（明暗）

• 原理：光线照射到表面时，入射角（光线与法线的夹角）决定亮度

  • 法线朝向光源 → 更亮（如 dot(N, L) = 1）

  • 法线背对光源 → 更暗（如 dot(N, L) = -1）

• 示例：

  float brightness = dot(normal, lightDirection); // 计算光照强度

2. 实现阴影和立体感

• 没有法线：物体看起来像平面（如纸片）。

• 有法线：物体看起来有体积感（如球体）。

3. 反射和环境光

• 法线决定反射光的方向（如镜面高光、环境光遮蔽）。

4. 法线贴图（伪造细节）

• 用法线贴图修改表面朝向，让低模看起来有凹凸细节（如砖墙、锈迹）。

三. 法线的类型

1. 顶点法线（Vertex Normal）

• 每个顶点有一个法线，用于平滑曲面（如球体）

• 计算方式：相邻面的法线平均值

2. 面法线（Face Normal）

• 每个三角形面有一个法线（所有顶点共享同一个法线）

• 适用于硬表面（如立方体）

3. 切线空间法线（Tangent-Space Normal）

• 用于法线贴图，存储相对于模型表面的局部方向

四. 代码示例

1. 顶点着色器传递法线

#version 330 core
layout (location = 0) in vec3 aPos;    // 顶点位置
layout (location = 1) in vec3 aNormal; // 顶点法线out vec3 Normal; // 传递给片段着色器void main() {gl_Position = projection * view * model * vec4(aPos, 1.0);Normal = mat3(transpose(inverse(model))) * aNormal; // 修正法线（考虑模型变换）
}

2. 片段着色器计算光照

#version 330 core
in vec3 Normal;
out vec4 FragColor;uniform vec3 lightDir; // 光源方向（归一化）void main() {float diff = max(dot(Normal, lightDir), 0.0); // 漫反射强度vec3 color = diff * vec3(1.0, 0.0, 0.0);     // 红色 + 光照FragColor = vec4(color, 1.0);
}