39 · csm_Normal 与 csm_FragNormal：两种不同层次的法线

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法线表示表面朝向，而不只是一个配合位置使用的装饰变量。光照中的点积依赖它；位置变了但法线没变，轮廓和明暗便可能互相矛盾。本章依据 CSM 6.4.0 实现，特别纠正该版本 README 的类型笔误：csm_FragNormal 是 vec3，不是 float。

1. 两个输出的职责

输出	阶段与空间	默认值	实际接管位置
`csm_Normal`	顶点，物体局部空间	attribute `normal`	`beginnormal_vertex` 中的 `objectNormal` 初值
`csm_FragNormal`	片元，观察空间	平滑法线 `normalize(vNormal)`，或平面着色的导数法线	`normal_fragment_maps` 执行后覆盖 `normal`

csm_Normal 的替换还保留了 USE_TANGENT 下 objectTangent = tangent.xyz 的声明。它没有根据新法线重新生成切线；如果几何形变同时改变了切线基底，不能假设使用旧 tangent 的法线贴图仍准确。

支持范围也不能只看 README 的“有 normalMap 的材质”：Normal、Phong、Standard、Physical 等带对应法线流程的材质可以使用片元法线，即使没有提供 normalMap。Basic/Points 没有本章的光照法线消费链路，不应拿它们演示这个输出。

2. 顶点法线会继续参与内置变换

CSM 输出进入 objectNormal 后，还会通过 morph 法线、骨骼、实例/模型变换，再传到片元阶段。对于普通 Mesh，法线从局部到观察空间使用模型观察矩阵的逆转置（normalMatrix）：

n_{view}\propto (MV)^{-T}n_{object}

非均匀缩放下不能直接乘普通位置矩阵，否则不再与切平面垂直。片元接收的是顶点 varying 的插值结果，它通常不再是单位长度；内置法线流程会再次归一化。

手动写 objectNormal = ... 的对应 CSM 写法是 csm_Normal = ...。它发生在法线变换前，所以不要先乘 normalMatrix，否则会重复转换。

3. 从水面偏导得到 csm_Normal

第 37 章曲面为 $p(x,z)=(x,h(x,z),z)$ 。两个切向量分别为：

t_x=(1,h_x,0),\quad t_z=(0,h_z,1)

为了朝向局部 +Y，取 $t_z\times t_x=(-h_x,1,-h_z)$ 。水面代码由此得到：

float slopeX = uCsmWaveAmplitude * 0.65 * 1.7 * cos(phaseX);
float slopeZ = uCsmWaveAmplitude * 0.35 * 1.2 * cos(phaseZ);
csm_Normal = normalize(vec3(-slopeX, 1.0, -slopeZ));

这是解析法线：无需额外纹理采样，也不用每帧在 CPU 调用 computeVertexNormals()。后者只知道 CPU 几何，无法看到纯 GPU 位移。

解析法线表达连续曲面的切面，低分段网格的实际三角形仍是折线近似。法线再平滑也不能修复粗糙的轮廓；应根据波长与观察距离选细分数。

4. csm_FragNormal 覆盖的是最终普通表面法线

实际补丁为：

#include <normal_fragment_maps>
normal = csm_FragNormal;

这意味着原本的 normalMap/bumpMap 已经计算，但会被这里的值覆盖。自定义 main 在原片元主逻辑前运行，不能写 csm_FragNormal = normal 来读取尚未计算的内置贴图结果。

默认 csm_FragNormal 由 vNormal 或 vViewPosition 的导数构造，并非 normalMap 的结果。源码默认对平滑双面法线乘 gl_FrontFacing ? 1.0 : -1.0；自己全量赋值时，要自己处理所需的朝向逻辑。

覆写后没有替你保证单位长度，因此请输出归一化结果。该输出也不等于清漆层法线，Physical 的 clearcoat 有独立流程。

5. 实例拓展：给平面添加解析细波光照

在水面例子的顶点代码全局声明 varying vec3 vCsmSurfaceNormal;，并在其 main 尾部增加：

vCsmSurfaceNormal = normalMatrix * csm_Normal;

再给 CSM 传入以下 fragmentShader，便得到一个不使用 normalMap 的观察空间法线入口：

varying vec3 vCsmSurfaceNormal;
void main() {
  vec3 surfaceNormal = normalize(vCsmSurfaceNormal);
  #ifdef DOUBLE_SIDED
    surfaceNormal *= gl_FrontFacing ? 1.0 : -1.0;
  #endif
  csm_FragNormal = surfaceNormal;
}

此变体适用于本例的普通无骨骼 Mesh。它重新做了内置 varying 已能做的事，目的是验证空间；生产代码保留 csm_Normal 即可。若要增加更细的程序化凹凸，可把局部 xz 通过 varying 传到片元，在片元计算额外高度偏导，再将所得局部法线转换到观察空间。不得把局部法线直接写给 csm_FragNormal。

对于蒙皮或实例对象，上面直接 normalMatrix * csm_Normal 的自定义 varying 不包含全部内置法线变换，不能照搬。需要保留原法线贴图并在它之后加工时，手动补丁或精确的 patchMap 往往比这个覆盖输出更适合。

练习（暂不提供答案）

对水面施加非均匀 scale，比较 csm_Normal 与错误的观察空间提前转换结果。
将叉积顺序反转，解释法线与双面渲染所呈现的变化。
为片元增加局部高频高度函数，同时明确它只改变光照、不改变轮廓。
给材质添加 normalMap，再分别使用与不使用 csm_FragNormal，分析贴图结果为何被覆盖。