浅析水利三维设计中的法线贴图工作原理与绘制方法柏文花金祥张茜茜【摘要】为提高水景观三维设计效果，我们引入法線贴图帮助计算机识别贴图图像的凹凸效果。本文从法线贴图的定义与原理出发，提出了法线贴图的一般算法，并初步探讨了通过不同软件绘制法线贴图的优劣与方案。在水利工程设计中，水景观设计是近来新兴的热点和难点。对于广大水利设计工程师而言，如何快速、全面、优质的展现水利景观设计成果是当前亟待解决的问题。为此，三维设计的方式与方法被广泛的引入到水利景观设计中。本文就将探讨三维设计中的“法线贴图”这一重要的构成元素。【关键词】三维设计；法线贴图；原理算法绘制：TV22：A：2095-2457（2018）18-0154-002DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.0691法线贴图的概念根据现代几何学的定义，所谓法线就是垂直于物体表面并指向外侧的矢量线。其大小用以描述物体表面的材质性质，其方向则代表了物体的外表面朝向。如果一件物体的外表面材质统一确定，那么方向即为法线矢量的唯一变化数值，如此时用色彩的颜色数值表示这一变化量，那么三维物体表面的信息就可以用二维图片表示，从而可被计算机识别并建立起相应的三维物体。在现代色彩计算分析学中，所有色彩均由不同数值的红、绿、蓝（RGB）三基色通道构成，不同的数值表示基色的亮度不同，不同亮度的三基色组合在一起即可生成不同的颜色。在三维空间中，任意物体表面方向均可分解为“左右”、“上下”、“内外”三个朝向。如把这三个朝向均用RGB三通道数值代替，则不同色彩既代表了表面的不同方向。所以，法线贴图就是在原物体不同方向的每个表面上均作法线，通过RGB颜色通道来标记法线的方向，从而可被计算机识别，在平面贴图上呈现三维效果。使用法线贴图后，计算机即可对物体表面做出凹凸判断，根据光线的强弱方向做出明暗变化等光影效果，从而使设计效果更加逼真。如下图中，蘑菇石饰面墙体是否应用法线贴图，会在渲染中呈现出的不同效果。从上图中可以看出，在增加了法线贴图后，图片会呈现出更多的细节凹凸效果，光照阴影也会更加真实。2法线贴图的工作原理据前所述，法线贴图的实质就是RGB三色二维图，每一个像素点由不同数值的RGB三色组合而成。那么，如何确定RGB三色的数值呢？在空间坐标系中，有三条坐标轴，分别为左右（X）、上下（Y）和内外（Z），物体表面法线也同样在此坐标系中，一个平面上的法线有无数条，但我们只需定义经过原点的那条即可。当此法线上任意一点的xyz坐标值确定时，连接原点和此坐标点的法线向量也就唯一确定了。当我们用RGB标示出这条向量的方向时，法线贴图也就勾画了出来。2.1法线贴图的方向定义由于计算机采用二进制机器语言，每字节=8bit，所以RGB三基色的取值范围均为28，既[0，255]范围内。0为无亮度，呈现黑色；255为最高亮度，呈现最亮色。因此，我们做出以下定义：红色（R）代表左右，法线朝向右方时R=0，朝向左方时R=255；绿色（G）代表上下，法线朝向下方时G=0，朝向上方时G=255；蓝色（B）代表内外，法线朝向内侧时B=0，朝向外侧时B=255；2.2法线贴图的空间定义按照几何学定义，当法线从右方转到左方，或从下方转到上方，从内侧转到外侧时，转过的角度均为180度。所以，法线每旋转1度，RGB色值改变为255/180。为定义平面位置，我们可以引入空间直角坐标系，用RGB代替XYZ轴，并定义向右、向下和向内为RGB基准向量方向。基准向量的初始RGB色值均为0，每旋转1度，则增加255/180。设在坐标系内有任意平面如图4所示：平面穿过原点的法线向量为N，其与RGB三轴的夹角分别为α、β和γ，也就是RGB三个基准向量要分别旋转α、β和γ度后才能与N重合，则：式中，N（RGB）——平面的法线向量色值；INT（）——取整函数。所以，我们只要计算出α、β和γ，就能得出任意平面的法线向量色值。当构成一件物体表面的每一个平面的N（RGB）都得出后，法线贴图就可以通过绘图软件生成。2.3任意平面的法线向量色值计算据前所述，我们需要计算出任意平面的α、β和γ角度，设任意平面与RGB三轴的交点坐标分别为（x，0，0），（0，y，0）和（0，0，z）。所以，当N与原点O在...