En infographie tridimensionnelle, le normal mapping évite d’avoir à modéliser ou sculpter tous les détails d’un modèle 3D dans la géométrie de l’objet. Cette technique, également appelée placage de normales, est utilisée pour feindre le relief d’une surface et accentuer le réalisme d’objets digitaux sans en accroître la complexité géométrique.
En modélisation 3D, les surfaces sont représentées par des polygones. Des calculs d’éclairage sont réalisés en fonction de la géométrie de ces polygones, de la même manière qu’un ou une artiste userait de techniques d’ombrage pour reproduire l’aspect tridimensionnel. Cette approche fonctionne parfaitement, mais le fort pourcentage de calculs induits limite néanmoins le niveau de détail possible. Le normal mapping offre une solution légère intéressante en modifiant la façon dont la lumière interagit avec une surface, sans altérer la géométrie sous-jacente.
Les normal maps stockent les informations concernant une surface sous la forme d’une image de texture. En codant la normale à la surface dans une texture, elles peuvent simuler l’aspect des détails en surface, comme les bosses, rayures, plis, etc. sans accroître la complexité de la géométrie en dessous.
Le calcul des normal maps s’effectue pendant la phase de rendu, à partir de la normale à la surface modifiée qui en découle. Puisque le pourcentage de calculs est moindre, il est possible de parvenir à un niveau de détail élevé, même en temps réel, ce qui explique pourquoi cette technique est prisée des équipes de développement de jeux vidéo.
Dans l’ensemble, le normal mapping est une technique offrant de nombreuses possibilités, que les artistes et designers 3D ont tout intérêt à utiliser pour accélérer et améliorer leurs workflows.
Le normal mapping est employé non seulement dans des scénarios où les contraintes matérielles sont extrêmement importantes, comme les jeux vidéo qui imposent le rendu des scènes en temps réel pour la gameuse ou le gamer, mais aussi dans les films d’animation en images de synthèse, la visualisation architecturale et le design de produits.
Cette technique n’ayant aucune incidence sur la colorisation d’un objet, elle est généralement utilisée dans les cas où la surface de ce dernier n’est pas parfaitement plane ou lisse. Autant dire que chaque modèle 3D ou presque pourrait s’appuyer sur une normal map pour valider son réalisme (cuir usé, veine ondulée du bois, peau, tissu, etc.).
Plusieurs applications et outils indispensables sont couramment utilisés pour le normal mapping. En voici quelques-uns :
1. Applications de modélisation 3D : des outils tels que Blender, Maya, Zbrush et Substance 3D Modeler servent à créer les modèles qui seront utilisés pour le normal mapping. Plusieurs solutions applicatives intéressantes proposent leurs propres approches de la modélisation et de la sculpture.
2. Applications de texturing : des applications comme Substance 3D Painter ou même Adobe Photoshop peuvent être employées pour créer et modifier des texture maps, y compris des normal maps.
3. Générateurs de normal maps : les applications dédiées facilitent la création de normal maps à partir d’une géométrie haute résolution ou d’informations sur les textures. Des outils comme xNormal, CrazyBump ou Substance 3D Designer permettent de générer des normal maps à partir de divers éléments.
4. Moteurs de jeu : des moteurs de jeu tels que Unreal Engine et Unity intègrent la prise en charge du normal mapping. Ces moteurs proposent les outils et fonctionnalités de rendu nécessaires pour mettre à profit les normal maps. Ils se révèlent tout aussi excellents dans la production de rendus que dans la création d’expériences de jeu.
5. Langages de programmation de shaders : la maîtrise de leurs langages de programmation, comme HLSL (High-Level Shading Language) ou GLSL (OpenGL Shading Language), peut être utile pour créer des shaders sur mesure tirant avantage du normal mapping. Ces langages permettent aux équipes de développement de définir dans quelle mesure l’éclairage interagit avec les normal maps et autres texture maps pour créer de spectaculaires effets spéciaux.
Cette liste n’est sans doute pas exhaustive, mais elle constitue un excellent point de départ pour permettre aux équipes de création d’appréhender les principes de base du normal mapping et leur mise en œuvre dans des environnements de rendu en temps réel.
Images de Playground Games
Les normal maps stockent des informations explicites concernant les normales à la surface dans des images RVB : à chaque canal de couleur sont associées les composantes X, Y et Z du vecteur correspondant pour chaque élément de texture. Comprenant nettement plus d’informations sur l’orientation d’une surface, les normal maps n’ont aucune incidence sur la géométrie du modèle en lui-même, mais modifient la manière dont la lumière interagit avec lui.
Par rapport aux bump maps, les normal maps donnent les résultats les plus précis, restituant des détails en surface au-delà des seules variations de hauteur.
1. Détails en surface réalistes : le normal mapping permet d’ajouter quantité de détails en surface sans accroître la complexité géométrique.
2. Économie de calculs : le normal mapping est une technique peu gourmande en calculs, surtout si on la compare au nombre croissant de polygones dont sont composés les modèles pour restituer des détails en surface.
3. Réduction de la quantité de mémoire requise : les normal maps stockant les informations dans un format de texture, la mémoire utilisée est moindre par rapport au stockage de données géométriques.
4. Réutilisabilité : les normal maps s’appliquent aisément à différents modèles, ce qui permet aux artistes et aux équipes de développement de les réutiliser avec de multiples assets, d’où des gains de temps et d’efforts profitables, au final, au format des produits.
5. Effets d’éclairage interactifs : le normal mapping améliore l’interaction de la lumière avec un modèle ; il se prête à des effets d’éclairage 3D dynamique tels que des lumières spéculaires, des variations d’ombrage et des reflets plus précis.
1. Transformation géométrique restreinte : les normal maps agissent uniquement sur l’aspect des détails en surface et sont sans effet sur la géométrie. L’illusion qu’elles créent se révèle souvent efficace, même si d’autres techniques sont parfois nécessaires dès lors que la géométrie doit être modifiée.
2. Création et modification : la création de normal maps de qualité représente parfois un véritable défi et nécessite des connaissances et des applications spécialisées. Leur modification peut être difficile en raison de la nature complexe des données.
3. Insuffisances de l’espace de texture : les normal maps ont besoin de plus d’espace de texture, car elles sont généralement stockées sous forme d’images RVB. L’utilisation de mémoire globale peut s’en trouver affectée et une optimisation peut s’avérer nécessaire dans certains cas.
4. Insuffisances de l’espace tangent : en règle générale, les normal maps sont définies dans l’espace tangent, ce qui signifie qu’elles dépendent de l’orientation d’un modèle et de ses coordonnées UV. De ce fait, l’application d’une même normal map à des modèles aux dispositions ou orientations UV différentes peut parfois occasionner des artefacts visuels.
Malgré quelques imperfections, les normal maps représentent la technique la plus efficace pour améliorer la qualité visuelle et le réalisme des modèles 3D en temps réel. Le normal mapping offre un solide équilibre entre performances et fidélité visuelle, ce qui en fait un outil inestimable pour le texturing 3D et le rendu.
Les normal maps sont créées au moyen d’une image RVB (rouge, vert et bleu) : à chaque canal de couleur est associée la direction des normales correspondantes en surface, selon les axes X, Y et Z, pour chaque élément de texture de la map en question. En d’autres termes, une normal map comporte trois canaux, définis individuellement par des valeurs positives ou négatives.
Ensemble, ces trois canaux fournissent, pour chaque élément de texture, des données d’orientation explicites qui sont utilisées au cours du rendu pour améliorer les effets d’éclairage et d’ombrage sur le modèle 3D.
En infographie, la « normale » désigne un vecteur perpendiculaire (ou « normal ») à une surface en un point spécifique. Les « normal maps » sont appelées ainsi car elles stockent des informations sur les normales à la surface d’un modèle 3D.
L’application d’une normal map durant le rendu modifie les normales à la surface du modèle 3D en fonction des informations stockées dans la map, aboutissant à des effets d’éclairage et d’ombrage qui donnent l’illusion de quantité de détails en surface.
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