Vertexnormalen

Vertexnormalen sind Normalenvektoren, die jedem Scheitelpunkt eines Polygonnetzes zugewiesen werden. Sie geben die Ausrichtung der Oberfläche in der Nähe des Scheitelpunkts an und werden hauptsächlich zur Schattierung verwendet. Im Gegensatz zu Flächennormalen repräsentieren Vertexnormalen eine glatte Oberflächenrichtung und ermöglichen weiche Übergänge zwischen benachbarten Flächen, insbesondere bei glättenden Shading-Verfahren.

Die gängigste Methode zu ihrer Berechnung besteht darin, die Normalen der angrenzenden Flächen zu summieren und das Ergebnis zu normalisieren. Oft werden die Flächennormalen gewichtet, z. B. nach der Flächenfläche oder dem Winkel zwischen angrenzenden Flächen (winkelgewichtete oder flächengewichtete Normalen). Um harte Kanten zu erhalten, werden Vertexnormalen an diesen Kanten separiert, oder Crease-Schnitte eingeführt (Kanten mit Schärfegrad).

Beim Rendering werden Vertexnormalen oft genutzt, um Glättungs-Shading wie Gouraud- oder Phong-Shading zu realisieren: die Normalen werden auf Ecken oder innerhalb eines Dreiecks interpoliert, um eine glatte Beleuchtung zu erzeugen.

Datendarstellung: Vertexnormalen werden typischerweise als Normalenattribut pro Scheitelpunkt gespeichert. Im OBJ-Format erscheinen Normalen als vn-Indices; in glTF, FBX etc. sind sie als Normal-Attribute enthalten. Normalen werden in Objektkoordinaten gespeichert und anschließend mittels einer Normalmatrix in den Welt- oder Kameraraum transformiert; bei Beleuchtungsberechnungen muss die Normalenmatrix verwendet werden, besonders bei nicht skalaren Transformationen.

Bedeutung: Vertexnormalen sind zentral für realistische Glättung, beeinflussen jedoch die physikalische Genauigkeit bei komplexen Materialien. Falsch berechnete Normalen führen zu unerwarteter Beleuchtung; oft werden zusätzlich Normal-Maps eingesetzt, um Detailbrüche zu verhindern, während die Vertexnormalen die Grundrichtung der Beleuchtung bestimmen.