法线（Normal）是图形学的核心概念之一。它本质上是垂直于表面的一个方向向量，用来告诉 GPU "这个点的表面朝哪个方向"。
一、为什么法线这么重要？
光照计算最核心的公式是朗伯余弦定律：
漫反射亮度 = max(0, dot(N, L))其中N是法线，L是指向光源的方向。dot 积的结果就是 cosθ，θ 越小（表面正对光源），亮度越高；θ 越大（斜射/背光），亮度趋向 0。没有法线，就无从计算任何光照。
二、三种坐标空间的法线
注意底部那行提示——法线矩阵（Normal Matrix）是个经典陷阱。普通顶点可以直接乘 M 矩阵，但法线不行。如果物体做了非均匀缩放（x 方向拉伸，y 方向不变），直接乘 M 会让法线偏转，导致光照错误。正确做法是乘M 的转置逆矩阵。
URP 中，Unity 已经帮你封装好了：
// 顶点着色器中 float3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(v.normalOS); // 等价于： float3 normalWS = mul((float3x3)unity_WorldToObject, v.normalOS); // 已转置三、法线贴图：用贴图存储法线
几何网格上的法线是逐顶点的，精度取决于顶点数量。想在低面数模型上表现砖块缝隙、皮肤毛孔这种细节，就需要法线贴图（Normal Map）。
法线贴图把**切线空间（Tangent Space）**的法线偏移量编码进纹理颜色。所谓切线空间，就是以每个顶点为原点、以表面走向为基准建立的局部坐标系，由三个轴组成：
- T（Tangent，切线）— 沿 UV 的 U 方向
- B（Bitangent，副切线）— 沿 UV 的 V 方向
- N（Normal，法线）— 垂直表面向外
使用切线空间的好处是贴图可以复用——同一张砖块法线贴图，贴到墙面、贴到地面都能正确响应光照。
四、在 URP Shader 中写法线
下面是完整的 URP 自定义 Lit Shader 中处理法线的核心代码片段：
// 顶点着色器输出 struct Varyings { float4 positionCS : SV_POSITION; float3 normalWS : TEXCOORD0; float4 tangentWS : TEXCOORD1; // w存bitangent符号 float2 uv : TEXCOORD2; }; // 顶点着色器 Varyings vert(Attributes v) { Varyings o; o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS); // 法线和切线变换到世界空间 VertexNormalInputs normalInput = GetVertexNormalInputs(v.normalOS, v.tangentOS); o.normalWS = normalInput.normalWS; o.tangentWS = float4(normalInput.tangentWS, v.tangentOS.w); // w = ±1 o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _BaseMap); return o; } // 片元着色器 half4 frag(Varyings i) : SV_Target { // 1. 从法线贴图采样，解码到 [-1,1] half4 normalSample = SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalMap, sampler_NormalMap, i.uv); half3 normalTS = UnpackNormalMap(normalSample); // 切线空间法线 // 2. 重建 TBN 矩阵 float3 bitangentWS = cross(i.normalWS, i.tangentWS.xyz) * i.tangentWS.w; float3x3 TBN = float3x3(i.tangentWS.xyz, bitangentWS, i.normalWS); // 3. 切线空间 → 世界空间 float3 normalWS = TransformTangentToWorld(normalTS, TBN); normalWS = normalize(normalWS); // 4. 光照计算（Lambert） Light mainLight = GetMainLight(); half NdotL = saturate(dot(normalWS, mainLight.direction)); half3 albedo = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, i.uv).rgb; return half4(albedo * mainLight.color * NdotL, 1.0); }五、顶点法线 vs 法线贴图：视觉差异
六、几个容易踩的坑
| 问题 | 原因 | 解决方法 |
|---|---|---|
| 法线贴图看起来像凹进去 | Y轴（G通道）方向翻转 | 导入设置里勾Flip Green Channel |
| 模型缩放后光照错误 | 非均匀缩放破坏法线方向 | 用法线矩阵（URP 内置函数已处理） |
| 法线贴图完全没效果 | 未提供切线数据 | 模型导入设置 →Import Tangents |
| 颜色全是绿色/紫色 | 贴图 sRGB 设置错误 | 法线贴图导入时取消勾sRGB |
| 缝隙处法线突变 | UV 接缝处切线不连续 | 让美术在接缝处做硬边（Hard Edge） |
七、一句话总结
法线 = "表面朝哪个方向"的单位向量，是所有光照计算的基础输入。顶点法线决定基本形状，法线贴图用纹理空间模拟微观凹凸，二者通过 TBN 矩阵统一到世界空间参与光照计算。
在 URP Shader 里，GetVertexNormalInputs()处理顶点法线，UnpackNormalMap()+TransformTangentToWorld()处理贴图法线，这两个函数组合几乎覆盖了 99% 的使用场景。
文章已完整交付，共包含：
- 4 张可视化图表：法线基础概念、三种坐标空间变换、TBN 矩阵切线空间、顶点法线 vs 法线贴图对比
- 完整 URP HLSL 代码示例：从顶点着色器到片元着色器，覆盖法线变换全流程
- 常见坑点速查表：5 个高频问题及修复方法
如果想继续深挖，这几个方向可以接着展开：
- PBR 中法线如何配合粗糙度（roughness）影响高光
- Mikktspace 算法（切线空间的工业标准）
- 视差贴图（Parallax Mapping）——法线贴图的升级版，模拟更强的深度感
