A számítógépes 3D grafikában a normáltérképeknek köszönhetően nem kell a 3D modellek minden apró részletét megformázni az objektum geometriájában. Ezzel az eljárással a részletesebb felületek illúziója teremthető meg, ami a geometria komplexitásának növelése nélkül teszi valósághűbb megjelenésűvé a digitális objektumokat.
A 3D modellezésben a felületeket poligonok határolják. A programok a poligonok geometriája alapján megvilágítási számításokat végeznek, pontosan ugyanúgy, ahogy egy művész árnyékolási technikákkal ér el háromdimenziós hatást. Ez a módszer rendkívül hatékonyan működik, azonban a számítási igénye meglehetősen nagy, ami korlátot szab az így elérhető részletességnek. A normáltérképek kiváló, alacsony számítási igényű megoldást kínálnak erre a problémára: anélkül módosítják a felületek és a fény közötti kölcsönhatást, hogy megváltoztatnák az objektumok geometriáját.
A normáltérképek textúra formájában tárolják a szükséges felületi információkat. A felületi normálvektorok textúraként való kódolásával a normáltérképek képesek megteremteni a felületi részletek – például kidudorodások, karcolások, ráncok stb. – illúzióját, mégpedig anélkül, hogy növelnék az objektum geometriájának komplexitását.
A normáltérképek kiszámítása renderelés közben történik, a normáltérkép alapján módosított felületi normálvektorok használatával. Mivel ezeknek a műveleteknek kisebb a számítási igénye, még valós időben is nagy részletesség érhető el, így nem meglepő, hogy a videójáték-fejlesztők előszeretettel használnak normáltérképeket.
A normáltérkép olyan sokoldalú megoldást kínál, amellyel felgyorsíthatók és hatékonyabbá tehetők a 3D munkafolyamatok.
A normáltérképeket nemcsak olyan esetekben alkalmazzák, amikor a hardveres korlátok ezt szükségessé teszik – mint például a videójátékokban, ahol minden egyes képkockát valós időben kell renderelni –, hanem a számítógéppel készült animációs filmekben, az építészeti látványtervekben és a terméktervezésben is.
A normáltérkép nincs hatással az objektumok színezésére, ezért leggyakrabban olyan esetekben használják, amikor az objektum felülete nem tökéletesen sík vagy sima. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy szinte minden 3D modellnél valósághűbb felületeket lehet elérni normáltérkép használatával, a kopott bőrtől kezdve a göcsörtös faerezeten és az emberi bőrön keresztül a szövetekig és még sok másig.
A normáltérképek elkészítéséhez számos különféle eszköz és szoftver áll rendelkezésre. Íme néhány példa:
1. 3D modellezőszoftverek: A normáltérképekhez használt modelleket olyan eszközökben készítik el, mint a Blender, a Maya, a ZBrush és a Substance 3D Modeler. Számos kiváló szoftveres megoldás létezik, amelyek mindegyike egyedi megközelítést alkalmaz a modellezés és a formázás terén.
2. Textúrafestő szoftverek: A textúratérképek, köztük a normáltérképek olyan szoftverekben is létrehozhatók és szerkeszthetők, mint a Substance 3D Painter vagy akár az Adobe Photoshop.
3. Normáltérkép-készítő szoftverek: A normáltérkép-készítő szoftverekkel nagy felbontású geometriák vagy textúrák alapján készíthetők el a normáltérképek. Az olyan eszközök, mint az xNormal, a CrazyBump vagy a Substance 3D Designer különféle bemenetekből képesek normáltérképet létrehozni.
4. Játékmotorok: Az olyan játékmotorok, mint az Unreal Engine és a Unity integrált normáltérkép-támogatással rendelkeznek. Ezek az eszközök biztosítják a normáltérképek használatához szükséges eszközöket és renderelési funkciókat. Ugyanolyan jól használhatók a rendereléshez, mint a játékélmények megalkotásához.
5. Árnyékolóprogramozási nyelvek: Az olyan árnyékolóprogramozási nyelvek, mint a HLSL (High-Level Shading Language) vagy a GLSL (OpenGL Shading Language) ismeretében normáltérképet használó egyéni árnyékolókat programozhatunk. Ezekkel a nyelvekkel a fejlesztők meghatározhatják, hogyan lépjen kölcsönhatásba a megvilágítás a normáltérképekkel és egyéb textúratérképekkel, és így lenyűgöző vizuális hatásokat érhetnek el.
Ez a lista talán nem kimerítő, de remek kiindulópontot kínál az alkotóknak a normáltérképek működésének megértéséhez és a valós idejű renderelési környezetekben való alkalmazásukhoz.
A normáltérképek explicit információkat tárolnak a felületi normálvektorokról RGB-képek segítségével, melyeknek egyes színcsatornái a felületi normálvektor X, Y és Z komponensét ábrázolják minden egyes texelhez. A normáltérképek sokkal több információt rögzítenek a felület tájolásáról. A normáltérképek nem befolyásolják magának a modellnek a geometriáját, ugyanakkor módosítják a fény és a felület kölcsönhatását.
A domborúsági térképekkel összehasonlítva a normáltérképek pontosabb eredményt adnak, mivel a magassági eltéréseken túl a felületi részleteket is rögzítik.
1. Valósághű felületi részletek: A normáltérképekkel bonyolult felületi részletek adhatók hozzá az objektumokhoz a geometriai összetettség növelése nélkül.
2. Hatékonyság: A normáltérkép számítási szempontból hatékony eljárás, különösen ha a poligonszám-növeléssel elért nagyobb felületi részletességhez hasonlítjuk.
3. Kisebb memóriaigény: A normáltérképek textúraformátumban tárolják az információkat, ami általában kevesebb memóriát igényel, mint a geometriai információk tárolása.
4. Újbóli felhasználhatóság: A normáltérképek könnyen alkalmazhatók különböző modellekre, így az alkotók és fejlesztők több kellékhez is újra felhasználhatják őket. Így idő és munka takarítható meg, miközben a termék végleges mérete is csökkenthető.
5. Interaktív megvilágítási effektek: A normáltérkép javítja a fény kölcsönhatását a modellel, és lehetővé teszi az olyan, dinamikus 3D megvilágítási effektek használatát, mint például a fényvisszaverődési csúcsfények, az árnyékolási variációk és a pontosabb tükröződések.
1. Korlátozott geometriai hatás: A normáltérképek csak a felületi részletek illúzióját teremtik meg, de magát a geometriát nem képesek módosítani. Az általuk keltett illúzió gyakran hasznos, bár néha más eljárásokra is szükség lehet, ha a cél a geometria tényleges módosítása.
2. Létrehozás és szerkesztés: A jó minőségű normáltérképek létrehozása nehéz feladat, amely komoly szaktudást és megfelelő szoftvert igényel. A normáltérképek az adatok összetettsége miatt nehezen szerkeszthetők.
3. Textúratárhely-korlátok: A normáltérképek extra textúratárhelyet foglalnak, mivel jellemzően RGB-képként tárolják őket. Ez hatással lehet a teljes memóriafelhasználásra, és bizonyos esetekben gondos optimalizálást igényelhet.
4. Az érintőtér jelentette korlátozások: A normáltérképek általában az érintőtérben, vagyis a modell tájolásától és UV-koordinátáitól függő módon vannak definiálva. Ez néha megjelenítési hibákat okozhat, amikor ugyanazt a normáltérképet különböző UV-elrendezésű vagy tájolású modellekre alkalmazzák.
Korlátaik ellenére a normáltérképek a leghatékonyabb módszert kínálják a valós időben renderelt 3D modellek vizuális minőségének és élethű megjelenésének javítására. A normáltérkép optimális egyensúlyt teremt a teljesítmény és az élethű megjelenés között, így a 3D textúrázás és renderelés felbecsülhetetlen értékű eszköze.
A normáltérképek az információkat RGB formátumú képfájlban tárolják, amelyben az egyes színcsatornák (vörös, zöld és kék) a felületi normálvektorok X, Y és Z komponenseit ábrázolják a térkép egyes texeleihez. Ez azt jelenti, hogy a normáltérkép három csatornával rendelkezik, amelyek mindegyike pozitív vagy negatív értékeket tartalmaz.
A három csatorna együttes használatával minden egyes texelhez explicit tájolási adatokat lehet rendelni, amelyek a renderelés során a 3D modell megvilágítási és árnyékolási effektusaira lesznek hatással.
A számítógépes grafikában a „normál” olyan vektorra utal, amely egy adott pontban merőleges egy felületre (a felület „normálisa”). Tehát azért hívjuk „normáltérképnek”, mert a 3D modell felületi normálisaira vonatkozó információkat tárolja.
A renderelés során a normáltérképen tárolt információk alapján módosulnak a 3D modell felületi normálvektorai, így olyan megvilágítási és árnyékolási hatások jönnek létre, amelyek a bonyolult felületi részletek illúzióját keltik.
3D objektumokat és jeleneteket hozhat létre, textúrázhat, állíthat be és renderelhet.