Что такое карта нормалей
Можете просто и доходчиво объяснить, что такое UV, карты нормалей, запекание?
Пожалуйста, максимально развёрнуто и понятно))))))
Простой 5 комментариев
p. s. Я отблагодарю вас, когда стану миллиардером.
Тебе надо разобраться с основными понятиями комп. графики. (модель\меш, полигон, вертекс, edge, топология, ретопология, нормали, RGBA, каналы, маски, альфа и др)
А вот когда с ними разберешься, можно посмотреть в сторону PBR (Physically-Based Rendering)(скорее всего контент «под него» будешь пилить)
«UV-развёртку можно «разукрасить», а затем наложить на модель.»
Всё не так, нужно разукрасить не UV-развёртку, а подготовить набор текстурных карт для наложения на модель.
Никому ведь модель только с одной диффузной текстурой не нужна
UV-map это проекция всех поверхностей 3d модели на плоскость (ведь сами текстуры то плоские)
Вспомни бумажные модели (например куба)
Вот такая развертка нужна чтобы построить куб из бумаги
А чтобы получить UV-развёртку куба, нужно не собрать куб, а разрезать и развернуть.
Normal Map Baking
Вот есть у тебя модель ботинка (полигонов очень много) и тебе нужно перенести детализацию подошвы с этой самой модели ботинка, на более простую модель ботинка. (кто у персонажа подошвы ботинок разглядывает? Там ведь много полигонов не нужно)
Ты запекаешь карту нормалей (Normal Map) и на ней создается изображение подошвы. (Информация перешла с высокополигональной модели на карту нормалей) затем ты накладываешь её на простую модель ботинка и вуаля!
На почти плоской подошве появился псевдо рельеф
Освещение в движке реагирует на эту самую Normal Map и создает видимость рельефа, для наблюдателя. Смотришь и кажется что подошва богата на детали!
И так поступают со всей моделью.
«В одних источниках эти названия карт на английском, в других на русском» (там всё намного веселей!)
Введи в поисковик «Texture map terminology confusion»
Ищи статьи на русском где используется не перевод, а написание английских слов русскими буквами или просто где названия карт не переводятся.
Ни в коем случае не русифицируй свои программы (так ты всё только испортишь)
В зависимости от модели, от игрового движка или системы рендеринга тебе будут нужны разные «наборы» текстурных карт.
В движках есть редактор материалов и он может намекнуть какие текстурки он «кушает»
(именно в этом редакторе там где написано Bump map пихают Normal map)
Текстурных карт очень много и про остальные нет смысла писать. (Про PBR тем более)
p.s
Помни о правиле 80\20 (80% практика, 20% теория) если наоборот значит всё будет плохо. Утонешь в теории (ты не знаешь как к ней правильно подступиться)
Наши ответы тебе особо не помогут.
Пока сам не начнешь, не окунешься в работу. Не поймешь какие карты тебе нужны, и что ты вообще собрался делать.
Это норма — 4: решение проблем с картами нормалей
Это четвёртая часть туториала о картах нормалей, но она независима от остальных частей и её можно читать отдельно.
Здесь я перечисляю проблемы карт нормалей, с которыми я сталкивался за годы работы, и некоторые решения, позволяющие их устранить.
Проблема: на рёбрах модели присутствуют «чёрные линии» или «вставки»
Такое происходит, когда у модели есть резкие рёбра (hard edges), поскольку вершины модели имеют нормали, полностью перпендикулярные поверхности полигона, из-за чего программа запекания может пропустить некоторые детали (оставляя на модели чёрные линии).
Решение: программы запекания карт нормалей учитывают эту проблему при создании карт нормалей и пытаются снизить её влияние, вычисляя немного больше информации за нормалями вершин, но чтобы сохранить её, им нужен зазор между UV-развёртками полигонов.
Здесь есть более подробное объяснение, но на практике правило довольно простое: когда на модели есть резкое ребро, нужно отделять в UV соединённые им грани.
Проблема: карта нормалей выглядит СОВЕРШЕННО неправильно, особенно под некоторыми углами
Эта проблема может возникать по множеству причин. Давайте обсудим некоторые из них:
Также возможно, что вы используете в качестве карты нормалей касательного пространства карту нормалей мирового пространства. В таком случае убедитесь, что вы выполняете запекание карты нормалей касательного пространства, и используете её в этом качестве.
В таком случае сравните lowpoly в обоих приложениях и если они отличаются, то попробуйте изменить параметры импорта/экспорта, используемые форматы файлов (файлы obj теряют информацию о нормалях) и проверьте совместимость своей программы с настраиваемыми нормалями.
Проблема: как мне создать карту нормалей острого конуса?
Решение: вам это… не нужно. Не обязательно создавать карты нормалей для всего. Острый конус — классический пример этого, но существует множество других случаев, когда карты нормалей не являются решением.
Мы используем карты нормалей для изменения направления нормалей lowpoly-моделей. Иногда направление нормалей правильно и не требует никаких изменений, а иногда нормали lowpoly чрезвычайно повёрнуты (как в случае острого шипа) и детали из highpoly-модели неправильно сопоставляются с поверхностью lowpoly-модели. В таких случаях я просто удаляют детали карты нормалей при помощи такого цвета:
Этот цвет на 50% красный, на 50% зелёный и на 100% синий, и он не меняет направления нормалей карты нормалей касательного пространства, поэтому можно использовать его для удаления деталей в местах с неудачной проекцией.
Острый конус — это просто пример одного из случаев, когда карты нормалей могут не решить ваших проблем. Важно здесь помнить, что в некоторых случаях карта нормалей не является наилучшим решением, её возможности ограничены и мы не можем ожидать, что они будут вести себя так, как нам нужно, в любой ситуации. Иногда мы тратим много времени, пытаясь заставить работать карту нормалей, когда можно было бы просто добавить деталей в diffuse-текстуру или в lowpoly, а не пытаться передать деталь при помощи карты нормалей.
Проблема: детали на моей модели выглядят вывернутыми.
Это очень распространённая проблема, и её можно наблюдать во многих видеоиграх, даже AAA-уровня.
Как мы видели в этом туториале [перевод на Хабре], карты нормалей — это текстуры, использующие зелёный, красный и синий каналы для изменения способа отражения света от поверхности модели, когда он падает соответственно сбоку, сверху и спереди модели (помните, что это упрощённое объяснение и оно верно не на 100%).
Проблема в том, что некоторые приложения считают, что зелёный канал должен показывать модель как освещённую снизу, а другие считают, что он должен показывать модель как освещённую сверху. Иногда это называют «правостороннесть карты нормалей» (normal map right-handiness):
Проблема: некоторые части кажутся плоскими/в них отсутствуют какие-то детали
Представьте, что при запекании карт нормалей программа запекания испускает лучи из поверхности lowpoly-модели, следуя по нормалям lowpoly, пока лучи не пересекутся с highpoly-моделью и не повернутся. После этого программа запекания берёт эту информацию и сохраняет её в карту нормалей.
Эти испущенные лучи не должны двигаться бесконечно, потому что могут столкнуться с далёкой частью highpoly и повернуться неправильно, поэтому программа запекания ограничивает дальность испускания лучей и иногда лучи могут останавливаться прежде, чем успеют пересечься с highpoly. В таком случае мы теряем детали и карта нормалей имеет области плоского цвета.
Решение: зависит от того, как программа запекания позволяет управлять расстоянием запекания:
Проблема: карта нормалей имеет искажённые детали
Это очень типичная проблема. Такое происходит, когда нормали lowpoly неправильно соответствуют деталям highpoly, поэтому кажутся наклонёнными (на самом деле, если смотреть на них с направления нормалей вершин, они соответствуют идеально). Такое обычно происходит, когда некоторые грани образуют очень острый угол.
Решение: я более подробно писал об этой теме в другом туториале [перевод на Хабре], но в целом решения бывают такими:
Проблема: карта нормалей выглядит пикселизированной или содержит полосы
Earthquake (AKA бог карт нормалей) написал очень хорошее объяснение этой проблемы.
Если lowpoly и highpoly очень похожи, то бОльшая часть карты нормалей будет иметь один базовый цвет карты нормалей, а другими цвета будут в местах отличия lowpoly от highpoly.
Если ситуация обратная: lowpoly и highpoly очень отличаются, то карта нормалей будет иметь гораздо большее разнообразие цветов и начнут возникать градиенты:
Такие плавные градиенты вызывают проблемы, потому что для их представления нужно множество цветов, а самые распространённые способы сжатия текстур основаны на снижении общего количества цветов.
При наличии плавных градиентов мы можем замечать на модели полосы, потому что изображение не имеет достаточного количества цветов для представления такого небольшого изменения цвета.
16-битные значения могут использовать 16 различных битовых значений на каждый канал, что составляет 65536 возможных цветов. Это означает, что диапазон плавных градиентом может быть больше. Учтите, что 16-битные изображения больше по размерам, чем 8-битные (потому что содержат больше информации). Кроме того, иногда 16-битные изображения содержат альфа-канал; тогда они называются 24-битными изображениями. [Прим. пер.: тут у автора очевидная ошибка.]
Проблема: на отдельных частях модели заметны пиксели
Очевидным решением будет увеличение UV-«острова» (island) этой части модели или использование более крупных текстур, но давайте рассмотрим и менее очевидные решения:
Проблема: моя модель симметрична, но с разных сторон карта нормалей отличается.
При применении к модели симметрии направления нормалей могут измениться из-за того, что изменился способ соединения граней. Иногда это означает, что можно получить шов прямо по центру модели. Чтобы избежать этого, сделайте так, чтобы нормали lowpoly в самом центре были выровнены, и при необходимости настройте сглаживание.
Ещё одна возможная причина — триангуляция: при импорте моделей в игровой движок они всегда триангулируются и иногда этот процесс может изменить нормали lowpoly, а по диагоналям граней lowpoly могут появиться артефакты. Чтобы избежать этого, триангулируйте модель перед запеканием, запеките карту нормалей, а затем примените модификатор симметрии.
Кроме того, вы можете изучить небольшой туториал Earthquake, который помог мне немного больше понять нормали вершин и карты нормалей.
Дополнительную информацию о картах нормалей можно узнать из wiki сайта Polycount.
Это норма: что такое карты нормалей и как они работают
На протяжении нескольких лет я пытался разобраться в картах нормалей и в проблемах, которые обычно возникают при работе с ними.
Большинство найденных объяснений было слишком техническим, неполным или чересчур сложным для моего понимания, поэтому я решил попробовать объяснить собранную мной информацию. Я понимаю, что эти объяснения могут быть неполными или не совсем точными, но всё равно попробую.
Первые созданные человеком 3D-модели выглядели примерно так:
Это замечательно, но у такой модели есть очевидное ограничение: она выглядит слишком полигональной.
Наиболее очевидное решение: добавить больше полигонов, сделав поверхность более равномерной и гладкой, вплоть до того, чтобы полигоны казались единой гладкой поверхностью. Но оказывается, для того, чтобы сделать поверхности наподобие сфер гладкими, нужно огромное количество полигонов (особенно сегодня).
Требовалось другое решение, и так были изобретены нормали. (Всё происходило не совсем так, но так проще объяснять и понимать.)
Давайте проследим за линией из центра полигона, перпендикулярной его поверхности. Мы дадим этой линии очень непривычное название: нормаль. Цель нормали — контролировать, куда указывает поверхность, чтобы когда свет отразиться от этой поверхности, она могла использовать нормаль для вычисления получившегося отражения. Когда свет падает на полигон, мы сравниваем угол луча света с нормалью полигона. Луч отражается под тем же углом относительно направления нормали:
Другими словами, отражение света будет симметрично относительно нормали полигона. Именно так работает большинство отражений в реальном мире. По умолчанию лучи света отражаются от всех полигонов совершенно перпендикулярно к их поверхности (как должны это делать в реальной жизни), потому что нормали полигона по умолчанию перпендикулярны к поверхности полигона. Если в нормалях будут пробелы, то мы увидим их как отдельные поверхности, поскольку свет отразится в одном или другом направлении.
Если две грани соединены, то мы можем попросить компьютер сгладить переход между нормалью одного полигона к другому, чтобы нормали постепенно выстраивались в соответствии с ближайшей нормалью полигона. Таким образом, когда свет попадёт ровно в центр одного полигона, то он отразится прямо, в соответствии с направлением нормали. Но между полигонами это направление нормали сглаживается, изменяя отражение света.
Мы будем воспринимать переход как единую поверхность, потому что свет будет отражаться между одним и другим полигоном плавным образом, и между ними не будет пробелов. По сути, свет отражается от этих полигонов плавно, как будто у нас имеется множество полигонов.
Именно этим мы управляем, задавая smoothing groups (3ds Max, Blender) или указывая рёбра как hard или smooth (Modo, Maya): мы сообщаем программе, какие переходы между гранями должны быть плавными, а какие — жёсткими.
Вот сравнение одной сферы из 288 полигонов с жёсткими и плавными переходами:
Потенциально мы можем задать нечто вроде параллелепипеда, чтобы все его вершины имели усреднённые нормали. 3D-редактор будет стремиться сгладить его поверхность, чтобы она выглядела как единая плавная поверхность. Для 3D-редактора это вполне логично, но выглядит очень странно, потому что у нас есть объект, который очевидно должен иметь несколько отдельных поверхностей (каждая грань параллелепипеда), однако программа пытается показать их как одну плавную поверхность.
Именно поэтому в 3D-редакторах обычно есть параметр углов сглаживания: если у нас есть два связанных полигона под углом, превышающем угол сглаживания, то их переход будет плавным, а соединение полигонов под углом меньше угла сглаживания будет жёстким. Благодаря этому крутые углы между поверхностями будут отображаться как разные поверхности, как это и бывает в реальном мире.
Итак, мы использовали нормали для контроля над переходами между гранями модели, но можно пойти ещё дальше.
Так как мы меняем способ отражения света от объекта, можно также сделать так, чтобы очень простой объект отражал свет, как сложный. Это называется картой нормалей. Мы используем текстуру для изменения направления света, отражающегося от 3D-объекта, заставляя его выглядеть сложнее, чем он есть на самом деле.
Примером из реального мира могут служить голограммы, которые раньше вручали в подарок при покупке картофельных чипсов (по крайней мере, у нас, в Испании). Они совершенно плоские, но отражают свет так, как бы это делал 3D-объект, благодаря чему становятся сложнее, чем на самом деле. В мире 3D-графики это работает даже лучше, но всё равно имеет свои ограничения (поскольку поверхность остаётся плоской).
Хоть мы и применяем нормали полигонов для реализации какой-то чёрной магии, на самом деле мы не контролируем сглаживание поверхности модели при помощи нормалей полигонов. Мы используем нормали вершин для контроля сглаживания нормалей. По сути, идея та же, но немного более сложная.
С каждой вершиной может быть связано одна или несколько нормалей. Если она имеет одну нормаль, то можно назвать её усреднённой нормалью вершины, а если несколько — то разделённой нормалью вершины.
Давайте возьмём два полигона, соединённых ребром. Если переход между двумя гранями плавный (если мы указали его как плавный в Maya/Modo, или обе имеют одинаковую smoothing group в Max/Blender), то каждая вершина имеет одну нормаль, которая является средней нормалей полигонов (поэтому она и называется усреднённой нормалью вершины). Важное примечание: до недавнего времени каждый 3D-редактор использовал собственный способ вычисления усреднённых нормалей вершин, то есть карты нормалей, вычисленные в одной программе, в другой могли выглядеть совершенно иначе. Подробнее об этом я расскажу во второй части туториала.
Если переход жёсткий (hard edge или разные smoothing groups), то каждая вершина имеет несколько нормалей: по одной для каждой соединённой вершины, выровненной по их нормалям. При этом между нормалями образуется пробел, который выглядит как две разные поверхности. Именно это называется разделённой нормалью вершины.
Как вы могли догадаться, контроль нормалей вершин очень важен, если мы хотим контролировать карты нормалей. К счастью, нам не обязательно изменять нормали напрямую или даже видеть их, но понимание того, как это работает, поможет вам понять, почему мы выполняем работу именно так и больше разбираться в проблемах, с которыми мы можем встретиться.
При запекании карты нормалей мы по сути говорим программе изменить направление, которому следуют нормали lowpoly-модели, так, чтобы они соответствовали направлению в highpoly-модели; поэтому lowpoly-модель будет отражать свет так же, как highpoly. Вся эта информация хранится в текстуре под названием «карта нормалей». Давайте рассмотрим пример.
Допустим, у нас есть вот такая низкополигональная модель (lowpoly). Плоская поверхность с четырьмя вершинами и настроенными UV, которые программа запекания будет использовать для создания карты нормалей.
И она должна получить информацию о нормалях от этой высокополигональной (highpoly) модели, нормали которой сложнее.
Помните, что мы переносим только информацию о нормалях, то есть UV, материал, топология, преобразования и т.п. к делу не относятся. Проверенное правило: если highpoly-модель выглядит хорошо, то её нормали тоже хороши и вполне должны подходить для запекания.
Программа запекания берёт lowpoly-модель и испускает лучи, следуя по направлениям нормалей lowpoly (именно поэтому нам нужно контролировать нормали lowpoly). Эти лучи имеют ограниченную длину чтобы не получать информацию нормалей от далёких граней (обычно это расстояние называется bake distance или cage distance). Когда эти лучи сталкиваются с highpoly, программа запекания вычисляет, как отразить эти лучи, чтобы они следовали по направлению нормалей highpoly, и сохраняет эту информацию в карту нормалей.
Вот результат запекания для нашего примера:
У нас есть текстура, которую движок использует для изменения нормалей lowpoly, чтобы свет отражался от этой lowpoly-модели так же, как он отражался бы от highpoly-версии. Не забывайте, что это только текстура, которая не влияет на силуэт lowpoly-модели (невозможно изменить способ отражения света от модели, если свет не падает на эту модель).
Хотя понятно, что можно «считать» внешний вид highpoly по внешнему виду карты нормалей, очевидно, что карты нормалей — это не обычные текстуры, потому что они хранят информацию не о цвете, а о нормалях. Также это значит, что карты нормалей нельзя рассматривать как обычные текстуры; к тому же, как мы увидим, они обладают особыми параметрами сжатия и гамма-коррекции.
Можно воспринимать карту нормалей как набор из трёх текстур в оттенках серого, хранящийся в одном изображении:
Первое изображение сообщает движку, как эта модель должна отражать свет, падающий справа; оно хранится в красном канале текстуры карты нормалей.
Второе изображение сообщает движку, как модель должна отражать свет, падающий снизу*; оно хранится в зелёном канале текстуры карты нормалей.
*В некоторых программах свет падает не снизу, а сверху, то есть могут быть «левосторонние» и «правосторонние» карты нормалей. Как мы увидим позже, это может вызывать некоторые проблемы.
Третье изображение сообщает движку, как модель должна отражать свет, падающий спереди; оно хранится в синем канале текстуры карты нормалей. Так как большинство объектов при освещении спереди выглядят белыми, карты нормалей обычно кажутся синеватыми.
Когда мы комбинируем все три изображения в одно, то получаем карту нормалей. Помните, что это объяснение не полностью корректно, но надеюсь, что оно позволит вам понять информацию, хранящуюся внутри карты нормалей, и лучше разобраться, что она делает.
Нормали — это векторы, которые используются для определения того, как свет отражается от поверхности. Их можно использовать для контроля над переходом между гранями (усреднением нормалей соединённых вершин для создания плавного перехода или разделением их для создания жёсткого перехода), но также их направление можно изменять, чтобы lowpoly-модель отражала свет так же, как более сложная модель.
Эта информация хранится в трёх отдельных каналах изображения, и 3D-редактор считывает её, чтобы понять, в каком направлении должна смотреть поверхность модели.
В следующей статье цикла мы поговорим о том, как можно запекать эти детали из highpoly-модели в lowpoly.