《光与硅的艺术》连载——5.5 Geometry Editor（几何编辑器）：法线处理

Note：《光与硅的艺术》写作于2015年，发表于2017年，书中部分内容可能与当前软硬件实际状况有出入，请注意区分。

Normal（法线）是指垂直于物体表面的一条线。在三维软件中，通常使用法线来描述多边形的曲面走向。本节将学习常见的法线问题和排除方法，尝试使用Geometry Editor（几何编辑器）处理常见法线错误。

TIPS 严格来说，法线是Vector（向量），而非线。不过，对于普通用户来说，完全没有必要进行严格的区分。事实上，对于普通用户而言，根本没有必要深究法线的含义。你只需要知道，当法线出现错误以后，应该如何进行修正即可。

5.5.1 法线问题

在VRED中，法线分为两种，分别是Face Normal（面法线）和Vertex Normal（顶点法线），它们被用来描述一个曲面的“正面方向”与“平滑弧度”。如果法线出现问题，对象的曲面就会出现一些奇怪的特征。

图5-41所示是法线正确的实时预览效果，图5-42所示是法线错误的实时预览结果。对比效果正确的图像，观察图5-42中的标注部分：它们的亮度和受光方向都出现了问题，如引擎盖的颜色出奇的暗，同时在A区域中，本应属于阴影部分的车门向下转折结构被照亮了，而它上方的受光面却反而变成了暗部。

查看图5-43，Vertex/Face Normal Rendering（法线诊断模式）揭示了问题的成因——法线错误。注意刚才有问题的部分，在这里它们被显示为蓝色。

TIPS Vertex/Face Normal Rendering（法线诊断模式）的相关知识将在下文中进行讲解。

法线错误会有各种各样的奇特表征，常见的法线错误主要是法线方向错误，即法线没有正确地朝向“外面”。图5-44和图5-45所示的分别是法线正常的实时预览模式和法线正常的法线诊断模式。在法线诊断模式下，绿色代表法线“朝外”。

法线诊断模式可以显示出几何体的法线状态，如图5-46所示。注意车身上的蓝色、紫色和金色标注，它们表示这些位置的法线存在问题。已知绿色代表正常的“朝外”，那么蓝色、紫色、金色就都表示错误的法线“朝内”问题。

法线颜色含义说明

» 绿色：正确，面法线和顶点法线都朝外，无需处理。

» 蓝色：错误，面法线和顶点法线都朝内，应同时反转二者。

» 紫色：错误，顶点法线朝内，面法线正确，需反转顶点法线。

» 金色：错误，面法线朝内，顶点法线正确，需反转面法线。

TIPS 你无需准确记住每个颜色的含义，只要知道车体对象都应当是绿色即可。

法线没有正确地朝向“外面”会对实时预览模式的显示质量产生严重的影响，刚才已经查看过相关效果。

对于光线追踪而言，这种错误的影响几乎可以忽略。所以，如果只需要渲染光线追踪结果，也可以无视此类法线错误，以节约几何体修正的时间。图5-47所示是法线错误的实时预览模式截图，注意引擎盖的奇怪颜色；图5-48所示是同一个场景的光线追踪渲染结果，可以看到，引擎盖的问题消失了。

5.5.2 Vertex/Face Normal Rendering（法线诊断模式）

Vertex/Face Normal Rendering（法线诊断模式，也叫顶点/面 法线模式）是一种辅助显示模式，在上文中已有所涉猎。这种显示模式能够帮助我们快速查找出法线问题。

执行Visualization（可视化）>Vertex/Face Normal Rendering（法线诊断模式）菜单命令，即可打开法线诊断模式，如图5-49所示。法线正确的显示效果如图5-50所示。

5.5.3 Geometry Editor（几何编辑器）

要修正法线问题，需要使用Geometry Editor（几何编辑器），其Normal Calculations（法线计算）功能专门用于解决上述问题。

Geometry Editor（几何编辑器）是专门用来修改几何体参数的模块，其主要用途是调整对象法线和细分工业曲面。在日常工作中，这个模块的使用频率较低，所以，只介绍较为关键的法线修改部分，让你有能力应对上述常见错误。

Geometry Editor（几何编辑器）没有主面板快捷方式，需要执行Scene（场景）>Geometry Editor（几何编辑器）菜单命令来打开这个模块，如图5-51所示。Geometry Editor（几何编辑器）面板如图5-52所示。

Geometry Editor（几何编辑器）Normal Calculations（法线计算）功能说明

» Crease Angle（折痕角度）： 即“平滑角度”。当使用Calculate Normals（计算法线）按钮，令系统重新计算曲面法线时，本角度决定转折结构的“软硬”程度。越低的数值表示越硬的转角，其作用和3ds Max中Smooth（平滑修改器）的Threshold（阈值）参数相同，如图5-53所示。

Calculate Normals（计算法线）：根据Crease Angle（折痕角度）参数为选中对象重新计算法线。通常不建议使用这个按钮，因为它很容易破坏车身表面的原始曲率。

» Length：Normalize Normals（长度：规格化法线）：统一法线向量的长度。

» Normal Consistency：Make Consistent（法线一致化：使一致）：在其他软件中，这个功能可能会被叫作“统一法线”。其作用是，当一个对象的法线有些反、有些正时，修改法线，使它们保持统一的朝向。但是，实际上它并不是太有效。

» FlipNormals（反转法线）：以不同的方式反转对象的法线，其后面这3个按钮是修正法线错误的主要按钮。

Face/Surface（面或曲面）：反转选定对象的面法线，修正金色错误。

Vertex（顶点）：反转选定对象的顶点法线，修正紫色错误。

Face and Vertex（面与顶点）： 同时反转选定对象的面法线和顶点法线，修正蓝色错误。

5.5.4 经验与建议

下面将提供一些经验性的建议，它们主要针对使用多边形模型的用户，工业数据用户仅作为了解即可。

第1点： 虽然VRED具备法线修改功能，但仍然要养成事先处理好模型的习惯。因为用VRED处理模型问题显然不如在3ds Max或者Maya中方便。

第2点：如果模型没有明显的、不可挽回的曲面错误，尽量少用Calculate Normals（计算法线）按钮，因为它很容易造成预期之外的曲面平滑结果。

第3点：一切法线问题以最终渲染结果为准。如果仅用VRED进行渲染，而不是做实时演示，那么只要光线追踪计算结果无误，即可不修改法线错误，这样可以节约时间和精力。

第4点：无需背下每种法线错误的颜色、成因及修复按钮，只需记住如下思路即可。

① 在法线诊断模式下，需要车体对象呈现绿色。

② 对出现蓝色错误的对象使用Face and Vertex（面与顶点）按钮，它将被反转为绿色。

③ 如果错误对象不显示蓝色，那么随机尝试Face/Surface（面或曲面）、Vertex（顶点）这两个按钮。

④ 如果尝试结果正确，对象会变成绿色。

⑤ 如果尝试结果不正确，对象会变成蓝色。

⑥ 对蓝色对象重新使用Face and Vertex（面与顶点）按钮即可。