Представляем третью статью нашего цикла о работе с 3D-моделями в Unity. Предшествующие статьи: «Особенности работы с Mesh в Unity» и «Unity: процедурное редактирование Mesh».
В мире компьютерной графики существует множество форматов представления 3D-моделей. Некоторые из них позиционируются как универсальные, другие — как оптимизированные под конкретные задачи или платформы. В любой сфере мечтают работать с универсальным форматом, но реальность говорит нам «нет». Более того, из-за такого зоопарка получается порочный круг: разработчики «универсальных» инструментов придумывают свои внутренние форматы для обобщения предыдущих, увеличивая популяцию и плодя средства преобразования форматов. Так появляется проблема потери или искажения данных при конвертации. Проблема стара как мир (мир IT, конечно), и она не обошла стороной импорт моделей в Unity.
В этой статье мы расскажем о некоторых трудностях, с которыми приходится сталкиваться при работе с моделями в Unity (особенности функционирования ModelImporter, разница представлений 3D-объектов и др.), а также о том, какие инструменты мы создали, чтобы эти трудности преодолеть.
Напомним, что для API видеокарт минимальный и единственный трехмерный примитив — это треугольник, в то время как геометрия в FBX, например, может быть представлена в виде четырехугольников. Современные 3D-пакеты для создания моделей, как правило, допускают различные уровни абстракции, но и там рендер результата происходит посредством треугольников.
При этом многие инструменты заточены на работу именно с четырехугольниками, что подталкивает 3D-художников использовать этот примитив как основной. В таких случаях в ТЗ часто требуется триангулировать модель перед внедрением. Если триангуляцию не сделали, соответствующий модуль Unity в стандартном режиме выполняет ее автоматически при добавлении файла. Из-за этого появляются ошибки, поскольку алгоритмы триангуляции в разных пакетах реализованы по-разному. При выборе диагонали для разбиения четырехугольника возникает неоднозначность, отсюда большинство проблем, которые можно разделить на две группы.
Первая связана с корректностью отображения формы модели. Так, форма непланарного четырехугольника напрямую зависит от выбора диагонали.
Сюзанна, триангулированная в Blender (Quad Method: Beauty) и в Unity (автоматически при импорте)
Кроме того, алгоритм запекания карты нормалей использует данные о разбиении, из-за чего разница в триангуляции может порождать артефакты в виде креста на блике.
Самокат здорового человека и самокат курильщика
Проблемы второй группы встречаются в текстурной развертке. Например, у нас есть четырехугольник с достаточно тупым для возникновения ошибки углом. При предварительном просмотре в 3D-пакете он разбивается одной из диагоналей на два вполне себе складных треугольника.
Исходный полигон
Полигон, триангулированный в Blender
Однако после импорта в проект обнаруживается, что этот четырехугольник разбит другой диагональю и что один из треугольников либо вообще вырожден, либо близок к тому.
Полигон в Unity с треугольником, близким к вырожденному (правый треугольник практически неотличим от отрезка)
Причиной проблем, связанных с вырожденностью полигонов, являются погрешности в вычислениях с плавающей запятой, а также особенности пиксельной интерполяции при рендеринге. С такими треугольниками происходит черт-те что: они дергаются, каждый кадр меняют цвет. Крайне малая величина поперечного сечения создает сложности при обработке света, из-за чего части динамических объектов могут мерцать. Да и в недетерминированности запекания карты освещения тоже нет ничего хорошего.
В 3D-моделировании часто возникает разница между фактическим количеством вершин и их количеством в 3D-пакете. Суть проблемы заключается в информации, которая требуется для обработки видеокартой. Структура данных для вершины предопределена и включает в себя позицию, нормаль, касательную, координаты текстурной развертки на каждый канал и цвет. То есть в одну вершину две нормали не запихнуть.
Для некоторых художников же не всегда очевидно, что вершина определяется не только своей позицией. Моделлеры прекрасно знают понятия Hard/Soft Edges и UV Seams, но не все осознают, каким образом они реализованы программно. Дополнительно сбивают с толку 3D-пакеты, которые в стандартном режиме показывают количество вершин как количество уникальных позиций.
Так, обычный примитив Cube геометрически представим 8 вершинами. Однако чтобы корректно передать отражение света от каждой грани и правильно наложить текстуру, в каждом углу куба необходимо по 3 вершины с одинаковой позицией, но разными нормалями и текстурными координатами, поскольку в каждом из углов сходится по 3 ребра. Этому моменту посвятили небольшой блок документации. Там же можно посмотреть примеры.
Метрики куба в Blender
Метрики куба в Unity
Столкнувшись с этими и подобными проблемами, мы решили создать инструмент анализа и валидации моделей при импорте в проект Unity. Иначе говоря, кастомный валидатор, который на запрос «Ешь!» ответит: «Не буду! Переделывай», — или выплюнет наборы предупреждений и значений различных параметров, оповещая о том, что ему что-то невкусно.
Для анализа и проверки мы разработали следующий функционал:
Что это нам дает?
Подсчеты количества уникальных позиций вершин, Hard Edges, UV Seams и раскрашенных вершин — необходимы для проверки соответствия задуманной художником модели той, что была импортирована в Unity. Этот функционал также позволяет следить за соблюдением требований к оптимизации модели (например, чтобы количество вершин не превышало определенное значение). Из-за все той же особенности 3D-пакетов, которые показывают по факту количество уникальных позиций, бывают случаи, когда метрика числа вершин в редакторе моделей удовлетворяет этому ограничению, однако после внесения файла в проект может оказаться, что это не так.
Вычисление AABB и его центра — позволяет определить смещение модели относительно начала ее собственной системы координат. Это необходимо для предсказуемого позиционирования ассетов, которые инициализируются в сцене уже во время работы приложения. Так, AABB здания по-хорошему должен иметь minY = 0, а какой-нибудь люстры, которая крепится к потолку — maxY = 0.
Выход координат вершин UV-развертки за диапазон 0.0–1.0 — в большинстве случаев (например, если текстура должна тайлиться на модели) предусмотрен. Часто такой подход используется для представления в сцене множества низкодетализированных мелких объектов (растительности) и/или находящихся вдалеке, а также замощения больших однородных объектов (зданий). В случае тайлинга значениям координат конкретного UV-канала просто обрезают целую часть на уровне шейдера, если Wrap Mode текстуры установлен в Repeat.
Представьте теперь, что вы уложили текстуру в атлас (и накрыли одеялком :3). В шейдер будут приходить уже преобразованные координаты, соответствующие атласу (x * масштаб + смещение). Никакой целой части на этот раз вероятнее всего уже не будет и обрезать будет нечего, а модель залезет на чужую текстуру (одеялко оказалось маленьким). Эта проблема решается двумя способами.
Первый предполагает, что вы заранее обрежете целую часть у координат развертки. В этом случае появляется вероятность взаимоналожения полигонов, о чем мы поговорим ниже.
Второй основывается на том, что тайлинг текстур по своей сути — это метод оптимизации. Вам же никто не запрещает увеличить размер и просэмплировать нужный кусок на всю модель. Однако таким образом полезное пространство атласа будет использовано неэффективно.
Наложения в текстурной развертке — тоже чаще всего не случайны: они нужны, чтобы эффективно использовать площади текстуры. Бывает, что ошибку совершает новичок, старший товарищ это видит, произносит крепкое словцо и новичок больше так не делает. Но бывает, что наложение настолько мелкое и находится в настолько неожиданном месте, что и старший товарищ может его не заметить.
В опытном коллективе незамеченные на базовой развертке ошибки попадают в проект чуть чаще, чем никогда. Другое дело, когда меняются условия использования уже готового контента.
Пример. Мы работали с набором моделей для динамических объектов в игре. Поскольку не было задачи запечь для них свет, в UV-развертке допускались наложения.
Пример базовой UV-развертки с наложениями (показаны красным)
Однако затем мы решили не использовать эти модели как динамические, а расставлять их в качестве статичного декора на уровне. Для оптимизации, как известно, освещение статических объектов в сцене запекают в специальный атлас. Отдельного UV2-канала для карты освещения у этих моделей не было, а качество работы автоматического генератора в Unity нас не устраивало, поэтому мы решили как можно чаще использовать базовую текстурную развертку для запекания.
Здесь и возникли явные проблемы с корректностью освещения. Очевидно, что лучи, попадающие какой-нибудь статуе в глаз, не должны создавать бликина пятой точке на затылке.
Некорректно запеченное освещение модели (слева) и исправленное (справа)
Unity при формировании карты освещения в первую очередь пытается использовать UV2-канал. Если он пустой, то используется основной UV, если и этот пуст, то извините, нате вам исключение. Запечь модели в карту освещения без предварительно подготовленного UV2 в Unity можно двумя способами.
В качестве первого Unity предлагает автоматическую генерацию UV2 на основе геометрии модели. Это быстрее, чем делать вручную, к тому же данный инструмент можно настраивать с помощью нескольких параметров. Но даже несмотря на это, итоговое наложение светотени часто неудовлетворительно для высокодетализированных объектов из-за швов и затеканий в неположенных местах, к тому же упаковка частей такой развертки не самая эффективная.
Второй способ — использовать базовую UV-развертку для запекания. Очень даже привлекательный вариант, поскольку при работе с одной текстурной разверткой меньше вероятность совершить ошибку, чем при работе с двумя. По этой причине мы стараемся минимизировать количество моделей, в базовой UV которых присутствуют наложения. Созданный инструментарий помогает нам это осуществлять.
Проверка текстурной развертки на достаточность заданного пиксельного отступа при заданном разрешении текстуры — более точная валидация UV, основанная на растеризации. Подробнее об этом методе будет рассказано в следующей статье серии.
Подведем итог. Конечно, практически невозможно отследить все нюансы: иногда приходится мириться с несовершенством результата, чтобы выполнить задачу в срок. Однако выявление даже части таких недочетов позволяет ускорить разработку проекта и повысить его качество.
В мире компьютерной графики существует множество форматов представления 3D-моделей. Некоторые из них позиционируются как универсальные, другие — как оптимизированные под конкретные задачи или платформы. В любой сфере мечтают работать с универсальным форматом, но реальность говорит нам «нет». Более того, из-за такого зоопарка получается порочный круг: разработчики «универсальных» инструментов придумывают свои внутренние форматы для обобщения предыдущих, увеличивая популяцию и плодя средства преобразования форматов. Так появляется проблема потери или искажения данных при конвертации. Проблема стара как мир (мир IT, конечно), и она не обошла стороной импорт моделей в Unity.
В этой статье мы расскажем о некоторых трудностях, с которыми приходится сталкиваться при работе с моделями в Unity (особенности функционирования ModelImporter, разница представлений 3D-объектов и др.), а также о том, какие инструменты мы создали, чтобы эти трудности преодолеть.
Особенности работы ModelImporter
Напомним, что для API видеокарт минимальный и единственный трехмерный примитив — это треугольник, в то время как геометрия в FBX, например, может быть представлена в виде четырехугольников. Современные 3D-пакеты для создания моделей, как правило, допускают различные уровни абстракции, но и там рендер результата происходит посредством треугольников.
При этом многие инструменты заточены на работу именно с четырехугольниками, что подталкивает 3D-художников использовать этот примитив как основной. В таких случаях в ТЗ часто требуется триангулировать модель перед внедрением. Если триангуляцию не сделали, соответствующий модуль Unity в стандартном режиме выполняет ее автоматически при добавлении файла. Из-за этого появляются ошибки, поскольку алгоритмы триангуляции в разных пакетах реализованы по-разному. При выборе диагонали для разбиения четырехугольника возникает неоднозначность, отсюда большинство проблем, которые можно разделить на две группы.
Первая связана с корректностью отображения формы модели. Так, форма непланарного четырехугольника напрямую зависит от выбора диагонали.
Сюзанна, триангулированная в Blender (Quad Method: Beauty) и в Unity (автоматически при импорте)
Кроме того, алгоритм запекания карты нормалей использует данные о разбиении, из-за чего разница в триангуляции может порождать артефакты в виде креста на блике.
Самокат здорового человека и самокат курильщика
Проблемы второй группы встречаются в текстурной развертке. Например, у нас есть четырехугольник с достаточно тупым для возникновения ошибки углом. При предварительном просмотре в 3D-пакете он разбивается одной из диагоналей на два вполне себе складных треугольника.
Исходный полигон
Полигон, триангулированный в Blender
Однако после импорта в проект обнаруживается, что этот четырехугольник разбит другой диагональю и что один из треугольников либо вообще вырожден, либо близок к тому.
Полигон в Unity с треугольником, близким к вырожденному (правый треугольник практически неотличим от отрезка)
Причиной проблем, связанных с вырожденностью полигонов, являются погрешности в вычислениях с плавающей запятой, а также особенности пиксельной интерполяции при рендеринге. С такими треугольниками происходит черт-те что: они дергаются, каждый кадр меняют цвет. Крайне малая величина поперечного сечения создает сложности при обработке света, из-за чего части динамических объектов могут мерцать. Да и в недетерминированности запекания карты освещения тоже нет ничего хорошего.
Я 3D-пакет, я так вижу
В 3D-моделировании часто возникает разница между фактическим количеством вершин и их количеством в 3D-пакете. Суть проблемы заключается в информации, которая требуется для обработки видеокартой. Структура данных для вершины предопределена и включает в себя позицию, нормаль, касательную, координаты текстурной развертки на каждый канал и цвет. То есть в одну вершину две нормали не запихнуть.
Для некоторых художников же не всегда очевидно, что вершина определяется не только своей позицией. Моделлеры прекрасно знают понятия Hard/Soft Edges и UV Seams, но не все осознают, каким образом они реализованы программно. Дополнительно сбивают с толку 3D-пакеты, которые в стандартном режиме показывают количество вершин как количество уникальных позиций.
Так, обычный примитив Cube геометрически представим 8 вершинами. Однако чтобы корректно передать отражение света от каждой грани и правильно наложить текстуру, в каждом углу куба необходимо по 3 вершины с одинаковой позицией, но разными нормалями и текстурными координатами, поскольку в каждом из углов сходится по 3 ребра. Этому моменту посвятили небольшой блок документации. Там же можно посмотреть примеры.
Метрики куба в Blender
Метрики куба в Unity
Хватит это терпеть!
Столкнувшись с этими и подобными проблемами, мы решили создать инструмент анализа и валидации моделей при импорте в проект Unity. Иначе говоря, кастомный валидатор, который на запрос «Ешь!» ответит: «Не буду! Переделывай», — или выплюнет наборы предупреждений и значений различных параметров, оповещая о том, что ему что-то невкусно.
Для анализа и проверки мы разработали следующий функционал:
- подсчет количества уникальных позиций вершин, раскрашенных вершин, Hard Edges, UV Seams;
- расчет Axis-Aligned Bounding Box (AABB) и его центра;
- определение выхода значений координат UV-развертки за диапазон 0.0–1.0;
- определение наложений в текстурной развертке;
- проверка текстурной развертки на достаточность заданного пиксельного отступа при заданном разрешении текстуры.
Что это нам дает?
Подсчеты количества уникальных позиций вершин, Hard Edges, UV Seams и раскрашенных вершин — необходимы для проверки соответствия задуманной художником модели той, что была импортирована в Unity. Этот функционал также позволяет следить за соблюдением требований к оптимизации модели (например, чтобы количество вершин не превышало определенное значение). Из-за все той же особенности 3D-пакетов, которые показывают по факту количество уникальных позиций, бывают случаи, когда метрика числа вершин в редакторе моделей удовлетворяет этому ограничению, однако после внесения файла в проект может оказаться, что это не так.
Вычисление AABB и его центра — позволяет определить смещение модели относительно начала ее собственной системы координат. Это необходимо для предсказуемого позиционирования ассетов, которые инициализируются в сцене уже во время работы приложения. Так, AABB здания по-хорошему должен иметь minY = 0, а какой-нибудь люстры, которая крепится к потолку — maxY = 0.
Выход координат вершин UV-развертки за диапазон 0.0–1.0 — в большинстве случаев (например, если текстура должна тайлиться на модели) предусмотрен. Часто такой подход используется для представления в сцене множества низкодетализированных мелких объектов (растительности) и/или находящихся вдалеке, а также замощения больших однородных объектов (зданий). В случае тайлинга значениям координат конкретного UV-канала просто обрезают целую часть на уровне шейдера, если Wrap Mode текстуры установлен в Repeat.
Представьте теперь, что вы уложили текстуру в атлас (и накрыли одеялком :3). В шейдер будут приходить уже преобразованные координаты, соответствующие атласу (x * масштаб + смещение). Никакой целой части на этот раз вероятнее всего уже не будет и обрезать будет нечего, а модель залезет на чужую текстуру (одеялко оказалось маленьким). Эта проблема решается двумя способами.
Первый предполагает, что вы заранее обрежете целую часть у координат развертки. В этом случае появляется вероятность взаимоналожения полигонов, о чем мы поговорим ниже.
Второй основывается на том, что тайлинг текстур по своей сути — это метод оптимизации. Вам же никто не запрещает увеличить размер и просэмплировать нужный кусок на всю модель. Однако таким образом полезное пространство атласа будет использовано неэффективно.
Наложения в текстурной развертке — тоже чаще всего не случайны: они нужны, чтобы эффективно использовать площади текстуры. Бывает, что ошибку совершает новичок, старший товарищ это видит, произносит крепкое словцо и новичок больше так не делает. Но бывает, что наложение настолько мелкое и находится в настолько неожиданном месте, что и старший товарищ может его не заметить.
В опытном коллективе незамеченные на базовой развертке ошибки попадают в проект чуть чаще, чем никогда. Другое дело, когда меняются условия использования уже готового контента.
Пример. Мы работали с набором моделей для динамических объектов в игре. Поскольку не было задачи запечь для них свет, в UV-развертке допускались наложения.
Пример базовой UV-развертки с наложениями (показаны красным)
Однако затем мы решили не использовать эти модели как динамические, а расставлять их в качестве статичного декора на уровне. Для оптимизации, как известно, освещение статических объектов в сцене запекают в специальный атлас. Отдельного UV2-канала для карты освещения у этих моделей не было, а качество работы автоматического генератора в Unity нас не устраивало, поэтому мы решили как можно чаще использовать базовую текстурную развертку для запекания.
Здесь и возникли явные проблемы с корректностью освещения. Очевидно, что лучи, попадающие какой-нибудь статуе в глаз, не должны создавать блики
Некорректно запеченное освещение модели (слева) и исправленное (справа)
Unity при формировании карты освещения в первую очередь пытается использовать UV2-канал. Если он пустой, то используется основной UV, если и этот пуст, то извините, нате вам исключение. Запечь модели в карту освещения без предварительно подготовленного UV2 в Unity можно двумя способами.
В качестве первого Unity предлагает автоматическую генерацию UV2 на основе геометрии модели. Это быстрее, чем делать вручную, к тому же данный инструмент можно настраивать с помощью нескольких параметров. Но даже несмотря на это, итоговое наложение светотени часто неудовлетворительно для высокодетализированных объектов из-за швов и затеканий в неположенных местах, к тому же упаковка частей такой развертки не самая эффективная.
Второй способ — использовать базовую UV-развертку для запекания. Очень даже привлекательный вариант, поскольку при работе с одной текстурной разверткой меньше вероятность совершить ошибку, чем при работе с двумя. По этой причине мы стараемся минимизировать количество моделей, в базовой UV которых присутствуют наложения. Созданный инструментарий помогает нам это осуществлять.
Проверка текстурной развертки на достаточность заданного пиксельного отступа при заданном разрешении текстуры — более точная валидация UV, основанная на растеризации. Подробнее об этом методе будет рассказано в следующей статье серии.
Подведем итог. Конечно, практически невозможно отследить все нюансы: иногда приходится мириться с несовершенством результата, чтобы выполнить задачу в срок. Однако выявление даже части таких недочетов позволяет ускорить разработку проекта и повысить его качество.
EndUser
И? Он где-то есть, доступен?
Plarium Автор
Статья больше о проблемах и путях их решения вне зависимости от реализации. Мы не можем выложить исходники, например, на github из-за ограничений NDA, а упрощенные неоптимальные версии читателям не нравятся, судя по комментариям к предыдущей статье из цикла.
Кроме того, большая часть перечисленного функционала проста в реализации: подсчеты aabb, количества вершин, hard edges, uv seams и проверка диапазона 0-1 тривиальны, проверка наложений сводится к попарной проверке пересечения треугольников на плоскости, о чем много материала. Исключение составляет проверка пиксельного паддинга, о котором будет статья с описанием алгоритма.