球形法线贴图为何在曲面渲染中产生光照错误？

Question

为何球形法线贴图在曲面模型上易导致光照失真？ 球形法线贴图将表面法线编码为RGB颜色值，假设其基于平面切线空间计算。当应用于高曲率曲面时，模型本身的几何法线变化剧烈，而贴图未考虑顶点局部曲率差异，导致采样法线与实际表面朝向不匹配。尤其在凹陷或凸起区域，切线空间扭曲严重，造成光照计算中高光错位、阴影倒置等视觉错误。此外，球形法线贴图压缩了Z分量（蓝通道），在斜面区域精度下降，加剧了法线方向偏差。因此，在复杂曲面上应优先使用切线空间法线贴图并配合正确烘焙流程，避免直接应用球形格式引发渲染异常。

Answer 1

一、基础概念：什么是球形法线贴图？

球形法线贴图（Spherical Normal Map），又称“对象空间法线贴图”或“世界空间法线贴图”，是一种将表面法线方向编码为RGB颜色值的纹理映射技术。其中，红、绿、蓝通道分别对应法线向量的X、Y、Z分量，通常归一化到[0,1]区间以便存储于标准图像格式中。

与常见的切线空间法线贴图不同，球形法线贴图中的法线是相对于全局坐标系或模型空间定义的，而非每个顶点局部的切线空间。这意味着其法线方向固定，不随模型表面的局部几何变化而调整。

• 红色通道 → 法线X分量（左/右）
• 绿色通道 → 法线Y分量（上/下）
• 蓝色通道 → 法线Z分量（前/后）

这种表示方式在静态、低曲率模型上表现尚可，但在高曲率曲面中暴露明显缺陷。

二、核心问题分析：为何在曲面上易失真？

当球形法线贴图应用于具有显著曲率的3D模型时，光照计算会出现视觉异常，主要原因如下：

1. 缺乏局部适应性：球形法线基于统一的空间参考系，无法感知顶点处的局部切线空间变化。
2. 切线空间扭曲：在凹陷或凸起区域，UV展开导致切线基底严重变形，使采样法线方向偏离真实几何法线。
3. Z分量压缩误差：蓝通道常被压缩以节省精度，而在斜面区域Z值较小，微小误差会导致法线大幅偏转。
4. 光照响应错位：Phong或Blinn-Phong光照模型依赖准确法线方向，偏差直接引发高光漂移、阴影倒置等问题。

// 示例：法线解码伪代码（球形 vs 切线空间）
vec3 sphericalNormal = texture(sphericalMap, uv).rgb * 2.0 - 1.0;
vec3 tangentNormal = normalize(tangentToLocal * (texture(tangentMap, uv).rgb * 2.0 - 1.0));
// 注意：sphericalNormal 未考虑当前顶点的切线基底变换

三、技术对比：球形 vs 切线空间法线贴图

特性	球形法线贴图	切线空间法线贴图
坐标空间	模型/世界空间	局部切线空间
重用性	差（绑定特定姿态）	优（可跨模型复用）
动画兼容性	极差	良好
曲面适应性	低	高
烘焙复杂度	简单	需正确生成TBN矩阵
存储效率	中等	高（支持细节压缩）
光照准确性	在曲面下降明显	保持稳定
常见应用场景	静态图标、UI元素	角色、地形、复杂机械
抗锯齿能力
弱	较强
开发调试难度	低	中等

四、实际案例与流程图解析

考虑一个高度起伏的岩石模型，若使用球形法线贴图进行渲染：

1. 烘焙阶段：从高模向低模投影法线，但使用球形编码方式保存。
2. 渲染阶段：GPU读取纹理并还原法线向量，参与光照计算。
3. 问题浮现：在岩石凹槽处，几何法线已大幅倾斜，而贴图提供的法线仍沿原始方向，造成反射方向错误。

graph TD A[高多边形模型] --> B{法线烘焙} B --> C[选择空间类型] C --> D[球形/对象空间] C --> E[切线空间] D --> F[生成固定方向法线] E --> G[按顶点生成TBN基底] F --> H[应用于曲面模型] G --> I[动态适配曲率] H --> J[出现高光错位、阴影异常] I --> K[光照连续自然]

五、解决方案与最佳实践

为避免球形法线贴图在复杂曲面上的失真问题，推荐以下工程策略：

• 优先采用切线空间法线贴图，确保每像素法线能正确转换至世界空间。
• 在烘焙过程中启用高质量Tangent Space计算，避免因UV接缝导致基底不连续。
• 使用MikkTSpace算法生成切线基底，已成为行业标准（如Substance Painter、Marmoset Toolbag）。
• 对必须使用的球形法线贴图，实施后期校正Pass，结合深度图与曲率估计进行法线融合。
• 在Shader中加入法线一致性检测机制，自动降级至平滑法线以防极端失真。

// MikkTSpace相关接口示意（C++插件层）
void GenerateTangents(SMesh* mesh) {
  SMikkTInterface mikkInterface = {
    GetNumFaces, GetNumVerticesOfFace, GetPosition,
    GetNormal, GetTexCoord, SetTangentSpace
  };
  SMikkTContext context;
  context.m_pInterface = &mikkInterface;
  genTangSpaceDefault(&context); // 自动生成正交TBN基底
}