Часть 1: что такое карты нормалей и как они работают

Часть 2: как запекаются карты нормалей

Как и многие другие вещи в нашей отрасли, за многие годы карты нормалей эволюционировали, и сегодня существует несколько их типов, которые могут выглядеть по-разному. В статье я перечислю те, которые помню, но, возможно, существуют и другие.

Карта нормалей касательного пространства (Tangent space normal map): самый распространённый сегодня тип карт нормалей; именно о нём мы говорили в предыдущих статьях. Он модифицирует направление нормалей модели на основании направления нормалей её вершин (то есть нам нужно контролировать нормали вершин lowpoly-модели).


Карта нормалей касательного пространства Mikk (Mikk tangent space normal map). Не все 3D-редакторы вычисляют среднее нормалей вершин одинаково. Это приводит к тому, что в разных движках внешний вид карт нормалей отличается, поэтому нам нужно запекать карту нормалей при помощи того же способа, который использует программа рендеринга (это называется «использовать синхронизированный рабочий процесс (synched workflow)»)

Mikk предложил способ вычисления нормалей вершин, который должен был стать универсальным, чтобы все программы вычисляли их одинаково. С точки зрения рабочего процесса это означает, что можно использовать низкополигональную модель (lowpoly) со всеми её усреднёнными нормалями (с одной группой сглаживания (smoothing group) или со сглаживанием всех граней), запечь карту нормалей в касательном пространстве Mikk, и это будет выглядеть точно так же, как высокополигональная модель (highpoly), без необходимости устранения ошибок сглаживания или отделения жёстких граней в UV. В будущем я напишу туториал о том, как это делается.

Помните, что это всё равно карта нормалей касательного пространства, но нормали модели вычисляются универсальным способом и модели можно использовать в разных программах.


Двухканальная карта нормалей касательного пространства (2-channel tangent space normal map): оказывается, что при помощи информации, хранящейся в двух из трёх каналов карты нормалей, компьютер может вычислить третий, снизив занимаемый объём памяти ценой увеличения количества вычислений. Так как обычно в большем дефиците находится память, такая оптимизация используется часто и некоторые движки выполняют её автоматически (например, Unreal Engine, когда мы устанавливаем для сжатия нормалей текстуры параметр «normal map»). Освободив один канал карты нормалей, мы можем уменьшить размер текстуры или использовать этот канал для metalness/roughness/opacity…

Обычно устраняют синий канал карты нормалей, поэтому такие текстуры выглядят жёлтыми. Так как эта оптимизация иногда выполняется некоторыми движками автоматически, вы можете замечать такие текстуры в своём проекте.


Карта нормалей мирового пространства (World space normal map): эта карта нормалей вместо того, чтобы модифицировать направление нормалей вершин, полностью их игнорирует и меняет способ отражения света lowpoly-моделью в мировом пространстве (world space) (при запекании она считает, что нормали вершин параллельны осям мира).

Можно сказать, что карта нормалей касательного пространства сообщает модели «ты должна отразить свет вправо», а карта нормалей мирового пространства — «ты должна отразить свет на восток».


Такие карты нормалей более разноцветные и в них больше заметных градиентов; их использовали, потому что в таком случае не нужно думать о нормалях вершин lowpoly, но у них есть недостаток — нельзя двигать модель, потому что она будет выглядеть странно (мы устанавливаем грань так, чтобы она всегда отражала свет на восток. Если повернуть её, то грань продолжит отражать свет на восток.).


Сегодня карты нормалей мирового пространства используются в играх очень редко, но их всё равно можно применять для создания красивых текстур, например, синий канал показывает, как модель должна отражать свет, падающий сверху модели, поэтому можно использовать его, чтобы добавить к текстуре цветное освещение.

Стоит также помнить, что мировые координаты в разных приложениях реализованы по-разному: в Unreal, 3D Studio Max, Blender вверх направлена ось Z, а в Maya, Modo и Cinema4D — ось Y. Это значит, что при переносе между приложениями карты нормалей мирового пространства могут портиться.

Карта нормалей пространства объекта (Object space normal map): это улучшенная версия предыдущего типа карт, и она очень на него похожа. Идея заключается в том, что при перемещении модели в мире её карта нормалей мирового пространства должна переориентироваться относительно объекта.

Это можно описать как «эта грань должна отражать свет вправо от модели». Если поворачивать модель в мире, то карта нормалей должна изменяться в соответствии с этими изменениями. Однако это не работает с деформируемыми мешами, потому что в таких картах учитывается только перемещение объекта. Именно по этой причине сегодня наиболее распространены карты нормалей касательного пространства.

Наклонные карты нормалей (Bent normal maps): по сути, в них сочетается информация AO и карты нормалей, наклоняющая направления нормалей так, чтобы свет стремился отражаться к тем частям модели, на которые попадает свет.

Такие карты используются для улучшения Ambient Oclussion и чтобы избежать эффекта под названием «утечка света» (light leaking), при котором модель может отражать свет теми частями, которых он не может достичь. Лично я никогда ими не пользовался, но исследовал бы их возможности, если бы столкнулся с заметной «утечкой света». Более подробную информацию можно найти здесь, здесь и здесь.

16-битные карты нормалей (16 bit normal maps): иногда, когда на карте нормалей присутствует очень плавный градиент, мы можем замечать появление полос. Эти полосы возникают из-за нехватки цветов для представления плавного градиента, обычно вызванной сжатием текстур.

Но в случае большой и плавной поверхности такие проблемы могут возникать даже с несжатой текстурой. В подобной ситуации можно использовать 16-битные карты нормалей, обычно в формате файлов .tga, которые имеют большее количество цветов и больше по размеру, чем обычные 8-битные карты нормалей.

Узнать больше о 16-битных картах нормалей можно у самого бога туториалов — Earthquake.



Следует также учитывать, что для уменьшения последствий этой проблемы существуют и другие техники, например, полное устранение карт нормалей (для представления этой плавной поверхности используется только геометрия), преобразование lowpoly так, чтобы она была более похожа на highpoly, чтобы градиенты оказались менее заметны, или использование дизеринга.

Так какой же из типов мы должны использовать?

В 90% случаев наилучшим решением являются карты нормалей касательного пространства Mikk. В отличие от вариантов с использованием карт нормалей пространства мира или объекта, модель сможет деформироваться, а направление нормалей останется правильным.

Следует запекать карту нормалей в том же касательном пространстве, что и в программе рендеринга. Наиболее распространённое касательное пространство — это Mikk, так что по возможности используйте его.

Если же на вашей карте нормалей появляется пикселизация, подумайте над использованием 16-карт нормалей или одного из упомянутых выше решений.

По сути, это все типы карт нормалей, которые я смог вспомнить. Если вам известны какие-то другие типы, то сообщите мне о них, и я добавлю их в этот туториал!

Благодарю за прочтение, надеюсь, статья была вам полезна. Спасибо Shnya за комментарии и помощь.