Co to jest mapowanie normalnych?

W modelowaniu 3D powierzchnie są reprezentowane przez wielokąty. Obliczenia oświetlenia są wykonywane na podstawie geometrii tych wielokątów w taki sam sposób, w jaki artysta używa technik cieniowania, aby uzyskać efekt trójwymiarowości. To podejście sprawdza się bardzo dobrze. Może jednak wymagać dużej mocy obliczeniowej, ograniczając ogólny dostępny poziom szczegółowości. Mapowanie normalnych to doskonałe mniej obciążające rozwiązanie, które polega na modyfikowaniu sposobu, w jaki światło wchodzi w interakcje z powierzchnią, bez zmieniania podstawowej geometrii.

Mapy normalnych przechowują informacje o powierzchni w postaci obrazu tekstury. Dzięki zakodowaniu wektorów normalnych powierzchni w teksturze, mapy normalnych mogą symulować wygląd szczegółów powierzchni, takich jak wypukłości, zadrapania, zmarszczki i inne, bez zwiększania złożoności geometrii znajdującej się pod nią.

Mapy normalnych są obliczane podczas renderowania przy użyciu zmodyfikowanego wektora normalnego powierzchni z mapy normalnych. Obliczenia te są mniej obciążające, co pozwala uzyskać wysoki poziom szczegółowości w czasie rzeczywistym. Mapy normalnych są popularną techniką stosowaną przez twórców gier komputerowych.

Mapy normalnych i mapy wypukłości to podobne do siebie techniki pozwalające dodawać szczegóły powierzchni do modeli 3D. Różnią się one sposobem przedstawiania wektorów normalnych powierzchni i manipulowania nimi. Oto wszystko, co należy wiedzieć o różnicach między nimi.

Mapy wypukłości są również określane jako mapy wysokości lub mapy przemieszczeń. Przechowują one informacje o wysokościach, które reprezentują różnice w obrębie powierzchni. Używa się w nich obrazów w skali szarości, na których jaśniejsze i ciemniejsze wartości wskazują wyższe i niższe obszary powierzchni. Mapy wypukłości modyfikują geometrię modelu w czasie renderowania, różnicując wektory normalne powierzchni na podstawie wartości w skali szarości. Choć powstaje iluzja szczegółów powierzchni, gdy światło wchodzi w interakcje z modelem podczas renderowania, mapy wypukłości w ogóle nie przechowują wektorów normalnych powierzchni, a jedynie informacje o wysokości.

Mapy normalnych przechowują jawne informacje o wektorach normalnych powierzchni przy użyciu obrazów RGB, na których każdy kanał koloru reprezentuje składową X, Y lub Z wektora normalnego powierzchni na poziomie poszczególnych tekseli. Mapy normalnych rejestrują znacznie więcej informacji o orientacji powierzchni. Mapy normalnych nie wpływają na geometrię samego modelu, ale mimo to modyfikują sposób interakcji światła wokół niego.

W porównaniu z mapami wypukłości mapy normalnych zapewniają najdokładniejsze wyniki dzięki rejestrowaniu szczegółów powierzchni wykraczających poza same różnice wysokości.

Podsumowując: Mapowanie normalnych ma kilka zalet i kilka potencjalnych wad. Oto przykłady zalet i wad mapowania normalnych, które należy wziąć pod uwagę:

1. Realistyczne szczegóły powierzchni. Mapowanie normalnych umożliwia dodanie skomplikowanych szczegółów powierzchni bez zwiększania złożoności geometrycznej.

2. Wydajność. Mapowanie normalnych jest techniką wydajną obliczeniowo, szczególnie w porównaniu ze zwiększaniem liczby wielokątów w modelach w celu dodawania detali powierzchni.

3. Zmniejszenie zapotrzebowania na pamięć. Mapy normalnych przechowują informacje w formacie tekstury, który zazwyczaj wymaga mniej pamięci niż dane geometrii.

4. Możliwość ponownego użycia. Mapy normalnych można łatwo stosować do różnych modeli, co pozwala artystom i programistom na ich wielokrotne używanie w wielu zasobach. Umożliwia to oszczędzanie czasu i wysiłku oraz zmniejszenie ostatecznego rozmiaru produktu.

5. Interaktywne efekty świetlne. Mapowanie normalnych poprawia interakcję światła z modelem oraz umożliwia stosowanie dynamicznych efektów oświetlenia 3D, takich jak doświetlanie odblasków, różnice w cieniowaniu i dokładniejsze odbicia.

1. Ograniczona zmiana geometrii, Mapy normalnych wpływają jedynie na wygląd szczegółów powierzchni — nie umożliwiają modyfikowania geometrii. Tworzona za ich pomocą iluzja jest często przydatna, ale czasami konieczne jest użycie innych technik, gdy wymagana jest faktyczna modyfikacja geometrii.

2. Tworzenie i edycja. Opracowanie wysokiej jakości mapy normalnych może być trudne. Wymaga wiedzy specjalistycznej oraz właściwego oprogramowania. Edytowanie map normalnych również nie jest proste ze względu na skomplikowany charakter danych.

3. Ograniczenia miejsca na tekstury. Mapy normalnych wymagają dodatkowego miejsca na tekstury, ponieważ zazwyczaj są one przechowywane jako obrazy RGB. Może to wpływać na ogólne użycie pamięci i w niektórych przypadkach wymagać starannej optymalizacji.

4. Ograniczenia przestrzeni stycznej. Mapy normalnych są zwykle definiowane w przestrzeni stycznej, co oznacza, że zależą od orientacji modelu i współrzędnych UV. Czasami może to powodować powstawanie artefaktów wizualnych podczas stosowania tej samej mapy normalnych do modeli o różnych orientacjach lub układach UV.

Pomimo pewnych ograniczeń mapy normalnych są najskuteczniejszą techniką poprawiania jakości wizualnej i realizmu modeli 3D wyświetlanych w czasie rzeczywistym. Mapowanie normalnych zapewnia zdrową równowagę między wydajnością a wiernością wizualną, co czyni tę technikę nieocenionym narzędziem do renderowania i teksturowania 3D.

Zastosowanie mapowania normalnych nigdy nie jest złym pomysłem, jednak czasami artysta może chcieć zrezygnować z użycia map i zamiast tego wyrzeźbić drobne szczegóły bezpośrednio w geometrii modelu. Jest to szczególnie łatwe w przypadku używania oprogramowania do rzeźbienia 3D, takiego jak Substance 3D Modeler. Natomiast gdy wymagane jest renderowanie w czasie rzeczywistym, mapy normalnych są konieczne do utrzymania niskiej liczby wielokątów w scenie przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wierności wizualnej.

Podobnie jak w przypadku wszystkich aspektów 3D kluczem do opanowania technik mapowania normalnych jest ćwiczenie ich stosowania. Śmiało eksperymentuj z różnym oprogramowaniem. Dodawaj mapy normalnych do własnych modeli i obserwuj efekty wizualne oraz ich zachowanie. Szybko nauczysz się, jak osiągać niesamowite wyniki, oszczędzając przy tym pamięć komputera, a nawet czas poświęcany na tworzenie.