凹凸贴图和法线贴图的区别

1、什么是凹凸贴图

  凹凸贴图（bump mapping）是一种计算机图形学中的渲染技术，用于在给定的表面上模拟微小的凹凸纹理。通过在表面法线方向上微调每个像素的光照值，可以给平滑的表面增加视觉上的凹凸感。

  在凹凸贴图中，每个像素点都包含了一个法线向量，表示该点表面的方向。这些法线向量通常以纹理的形式存储在一个称为凹凸贴图的二维图像中。渲染过程中，根据法线向量的信息，调整每个像素的光照计算结果，使得光线在表面上的反射看起来产生微小的凹凸效果。

  凹凸贴图可以用于增加物体的细节和真实感，例如在石头、皮肤、织物等表面上模拟出凹陷和凸起的纹理效果。这种技术可以通过在三维建模软件中创建凹凸贴图，或者通过在渲染过程中动态生成凹凸贴图来实现。

  需要注意的是，凹凸贴图只是一种视觉上的效果，不改变实际的物体几何形状。它是一种节约计算资源的技术，能够在不增加多边形数量的情况下，为平滑的表面增添细节。

2、什么是法线贴图

  法线贴图（normal mapping）是一种计算机图形学中的贴图技术，用于在平坦表面上模拟出凹凸纹理的效果。通过为每个像素点提供一个法线向量，法线贴图可以使得渲染的物体表面看起来具有细致的凹凸感。

  在法线贴图中，每个像素点都包含了一个法线向量，代表着该点表面的方向。这些法线向量通常以纹理的形式存储在一个称为法线贴图的二维图像中。渲染过程中，根据法线贴图中的法线信息，调整每个像素的光照计算结果，使得表面的法线向量发生变化，从而呈现出凹凸的纹理效果。

  与凹凸贴图相比，法线贴图能够提供更加精细和真实的凹凸效果。它可以用于模拟各种材质的凹凸纹理，例如石头、木材、金属等。法线贴图通常由专业的三维建模软件生成，并与模型的纹理贴图一起使用。

  需要注意的是，法线贴图只是一种视觉上的效果，不改变实际的物体几何形状。它是一种在渲染过程中模拟细节的技术，可以增强物体的真实感和细节感。

3、凹凸贴图和法线贴图效果展示

  下面我将使用GLTF编辑器来展示凹凸贴图和发现贴图有那些不同。

  打开GLTF 编辑器 ，在编辑器导入一个GLB格式的飞机模型，如图所示：

  我们用GLTF 编辑器 为飞机翅膀的设置凹凸贴图，操作步骤：1、在场景中选中飞机的机身，右侧会弹出材质设置面板；2、在面板中找到凹凸贴图设置组件，直接上传材质贴图即可（材质贴图提前制作好，保存到本地），效果如下图：

GLTF 编辑器  对机身的凹凸贴图效果

  看起来似乎问题不大。

  再来看一下法线贴图：

GLTF 编辑器  对机身法线贴图的效果

  可以看到机身已经有些变形了，这是为什么呢？

  法线贴图不会直接导致模型的几何形状发生变形。然而，当使用法线贴图时，渲染过程中对顶点法线的计算可能会造成一些视觉上的变形。

  在使用法线贴图时，顶点的法线通常是根据模型的初始几何信息计算得出的，然后通过插值来确定其在表面上的准确位置。然而，由于法线贴图的作用，光照计算过程中使用了法线贴图中的法线信息，从而使得表面的光照效果具有了凹凸感。

  这种计算过程中的插值和法线的变换会导致一些视觉上的变形效果。特别是在模型的曲面、棱角或细微细节处，由于顶点之间法线的插值，可能会出现一些平滑的过渡或细节损失的情况。这样的变形通常在离模型较近的观察距离下更为显著。

  为了尽量减少法线贴图引起的模型变形，可以采取一些优化策略，如增加模型的顶点密度、使用更高分辨率的法线贴图、调整插值算法或使用其他的几何细节增强技术。同时，对于特定的场景和情况，也可以考虑使用其他的贴图技术或更复杂的几何模型来实现更精确的效果。

4、总结

  凹凸贴图（Bump Mapping）和法线贴图（Normal Mapping）都是计算机图形学中常用的纹理映射技术，用于模拟表面的凹凸效果。它们在实现上有一些区别：

工作原理：

• 凹凸贴图：凹凸贴图通过修改像素点的法线向量，改变光照计算结果来模拟凹凸效果。它通过一张灰度图（灰度值代表高度信息）和模型的法线向量进行计算。根据灰度图中像素的灰度值，调整法线向量的方向和强度。
• 法线贴图：法线贴图通过提供每个像素点的法线向量，直接影响光照计算结果。每个像素点的法线是由一张RGB纹理图像表示的。在渲染过程中，法线贴图中的法线向量被用来调整每个像素的光照计算结果，以产生凹凸效果。

精度和细节：

• 凹凸贴图：凹凸贴图能够模拟比较复杂的凹凸效果，可以通过灰度图的不同灰度值来控制不同细节级别的凹凸程度。但相对于法线贴图，它的细节精度稍低。
• 法线贴图：法线贴图能够提供更高的细节精度，能够模拟更真实的表面纹理。每个像素点的法线信息都能够精确地指定其表面的方向，使得渲染结果更加细致和精确。

实现复杂度：

• 凹凸贴图：凹凸贴图的实现相对较简单，只需要一张灰度图和法线向量的计算即可。它在性能方面也相对较高效。
• 法线贴图：法线贴图的实现复杂度相对较高，需要生成并存储每个像素点的法线信息，同时渲染时需要对每个像素进行法线计算。这样会增加内存占用和渲染开销。

  总的来说，凹凸贴图适用于一些简单的凹凸效果，而法线贴图则更适合提供更高精度和真实感的凹凸纹理效果。根据具体使用场景和需求，可以选择合适的贴图技术来达到期望的视觉效果。