Čo je normálové mapovanie?

Pri 3D modelovaní sú povrchy vyobrazené v podobe mnohouholníkov. Osvetlenie sa vypočítava na základe geometrie týchto mnohouholníkov rovnakým spôsobom, ako by umelec použil techniky tieňovania na napodobnenie troch rozmerov. Tento postup naozaj funguje, jeho výpočtová náročnosť však môže byť veľmi vysoká, čo obmedzuje celkovú mieru prípadnej detailnosti. Normálové mapovanie poskytuje skvelé a šikovné riešenie tým, že upravuje spôsob interakcie svetla s povrchom bez potreby zmeny základnej geometrie.

Normálové mapy uchovávajú informácie o povrchu vo forme obrázku textúry. Zakódovaním normály povrchu do textúry dokážu normálové mapy simulovať vzhľad detailov povrchu, ako sú nerovnosti, škrabance, vrásky a ďalšie drobnosti, pričom sa nezvýši zložitosť geometrie pod nimi.

Normálové mapy sa počas vykresľovania vypočítajú pomocou upravenej normály povrchu z normálovej mapy. Keďže tieto výpočty sú menej náročné na výpočtovú výkonnosť, je možné dosahovať vysokú úroveň detailov, a to aj v reálnom čase, vďaka čomu sú normálové mapy obľúbenou technikou používanou vývojármi videohier.

Normálové mapy a bump mapy predstavujú podobné techniky, ktoré sa používajú na doplnenie povrchových detailov do 3D modelov. Líšia sa v tom, ako zobrazujú a spracúvajú normály povrchu. Ďalej uvádzame všetko, čo potrebujete vedieť o rozdieloch medzi nimi.

Bump mapy sa zvyknú nazývať aj výškové mapy alebo mapy posunu. Ukladajú sa v nich informácie o výške, ktoré zodpovedajú výškovým rozdielom na povrchu. Využívajú obrázky v odtieňoch sivej, pričom svetlejšie miesta zodpovedajú vyšším oblastiam na povrchu a tmavšie nižším. Bump mapy upravujú geometriu modelu v čase vykresľovania tým, že narúšajú normály povrchu na základe týchto hodnôt odtieňov sivej. Táto technika síce vytvára ilúziu detailov povrchu pri interakcii svetla s modelom počasvykresľovania, ale bump mapy vôbec neukladajú normály povrchu, iba informácie o výške.

Normálové mapy ukladajú explicitné informácie o normálach povrchu pomocou obrázkov RGB, pričom každý farebný kanál predstavuje zložky X, Y a Z normálového vektora povrchu v každej jednotke textúry. Normálové mapy zachytávajú oveľa viac informácií o orientácii povrchu. Normálové mapy neovplyvňujú geometriu samotného modelu, ale upravujú interakciu svetla v jeho okolí.

V porovnaní s bump mapami poskytujú presnejšie výsledky, pretože zachytávajú aj iné detaily povrchu ako len výškové rozdiely.

Ako už bolo uvedené, normálové mapovanie prináša viacero výhod a niekoľko prípadných nevýhod. Treba prihliadnuť na tieto plusy a mínusy:

1. Realistické detaily povrchu: Normálové mapovanie umožňuje dopĺňať prepracované povrchové detaily bez zvyšovania geometrickej zložitosti.

2. Efektívnosť: Normálové mapovanie je z výpočtového hľadiska efektívnou technikou, najmä v porovnaní so zvyšovaním počtu mnohouholníkov modelov na získanie detailov povrchu.

3. Menšie požiadavky na pamäť: Normálové mapy ukladajú informácie vo formáte textúry, čo zvyčajne zaberá menej pamäte ako ukladanie geometrických údajov.

4. Opätovná použiteľnosť: Normálové mapy sa dajú ľahko aplikovať na rôzne modely, čo umožňuje umelcom a vývojárom opakovane ich používať vo viacerých dátových zdrojoch. Šetrí to čas, energiu a konečnú veľkosť produktu.

5. Efekty interaktívneho osvetlenia: Normálové mapovanie zlepšuje interakciu svetla s modelom. To podporuje efekty dynamického 3D osvetlenia, ako sú zrkadlové odlesky, tieňované výškové rozdiely a presnejšie odrazy.

1. Obmedzená úprava geometrie: Normálové mapy majú vplyv len na vzhľad povrchových detailov a nevedia zmeniť geometriu. Ilúzia, ktorú vytvárajú, je často užitočná, hoci niekedy môžu byť potrebné iné techniky, napríklad ak je potrebné skutočne upraviť geometriu.

2. Tvorba a úpravy: Tvorba kvalitných normálových máp môže byť náročná a môže si vyžadovať špecifické vedomosti a softvér. Úprava normálových máp môže byť tiež náročná vzhľadom na zložitý charakter údajov.

3. Obmedzenia priestoru pre textúry: Normálové mapy si vyžadujú dodatočný priestor pre textúry, keďže tie sú zvyčajne uložené vo forme obrázkov RGB. Môže to mať vplyv na celkové využitie pamäte a v niektorých prípadoch si môže vyžadovať dôkladnú optimalizáciu.

4. Obmedzenie styčného priestoru: Normálové mapy sú zvyčajne definované v styčnom priestore, čo znamená, že závisia od orientácie modelu a UV súradníc. Pri aplikovaní rovnakej normálovej mapy na modely s rôznym rozložením alebo orientáciou UV to niekedy môže spôsobiť vizuálne anomálie.

Napriek niektorým obmedzeniam sú normálové mapy najefektívnejšou technikou na zlepšenie vizuálnej kvality a reálnosti 3D modelov v reálnom čase. Normálové mapovanie ponúka primeranú rovnováhu medzi výkonom a vizuálnou vernosťou, čo z neho robí neoceniteľný nástroj pri 3D textúrovaní a vykresľovaní.

Hoci normálové mapovanie môžeme využívať hocikedy, sú situácie, keď umelec nemusí chcieť použiť mapy a radšej vytvaruje jemné detaily priamo v geometrii modelu. Zvlášť je to jednoduché, ak používate softvér na 3D modelovanie, napríklad Substance 3D Modeler. Na druhej strane, ak sa vyžaduje vykresľovanie v reálnom čase, normálové mapy sú nevyhnutné na udržanie nízkeho počtu mnohouholníkov v scéne pri zachovaní vysokej vizuálnej vernosti.

Nezabudnite, že tak ako pri všetkom, čo súvisí s 3D, kľúčom k osvojeniu techník normálového mapovania je tréning. Vyskúšajte si prácu s rôznymi softvérmi. Do svojich modelov doplňte normálové mapy a pozorujte vizuálne efekty a ich správanie. Rýchlo sa tak naučíte, ako dosahovať parádne výsledky a zároveň šetriť pamäť počítača či dokonca aj čas potrebný na tvorbu.