Nella computer grafica 3D, non tutti i dettagli di un modello 3D devono essere modellati o scolpiti nella geometria dell’oggetto grazie alla mappatura normale. Questa tecnica viene utilizzata per creare dettagli superficiali illusori che migliorano il realismo degli oggetti digitali senza aumentare la complessità geometrica.
Nella modellazione 3D, le superfici sono rappresentate dai poligoni. I calcoli della luce vengono realizzati sulla base della geometria di questi poligoni nello stesso modo in cui un artista utilizzerebbe le tecniche di ombreggiatura per riprodurre le tre dimensioni. Questo approccio funziona molto bene, ma può richiedere un enorme sforzo informatico, limitando il livello generale di dettaglio possibile. La mappatura normale offre una soluzione leggera e potente modificando il modo in cui la luce interagisce con una superficie senza alterare la geometria sottostante.
Le mappe normali memorizzano le informazioni sulla superficie sotto forma di immagine della texture. Tramite la codifica della normale della superficie in una texture, le mappe normali riescono a simulare l’aspetto dei dettagli della superficie, come rilievi, graffi, pieghe e molti altri, senza rendere più complessa la geometria sottostante.
Le mappe normali vengono calcolate durante il rendering utilizzando la normale della superficie modificata dalla mappa normale. Dato che questi calcoli richiedono meno lavoro computazionale, è possibile raggiungere alti livelli di dettaglio, anche in tempo reale, rendendo la mappatura normale una tecnica utilizzata anche dagli sviluppatori di videogiochi.
In generale, la mappatura normale è una tecnica versatile che qualsiasi artista e designer 3D dovrebbe utilizzare per velocizzare e migliorare il flusso di lavoro.
Vedrai questa tecnica applicata non solo in scenari in cui i vincoli a livello di hardware sono estremamente importanti, come nel caso dei videogiochi, che richiedono il rendering in tempo reale delle scene per i giocatori, ma anche nei film ad animazione digitale, nella visualizzazione architetturale e nella progettazione di prodotti.
La mappatura normale non influisce sulla colorizzazione degli oggetti, quindi viene utilizzata più di frequente in istanze in cui la superficie degli oggetti non è perfettamente piatta o liscia. A dirla tutta, questo significa che quasi tutti i modelli 3D potrebbero utilizzare una mappa normale per approvare il suo realismo, dal cuoio usurato, dalle superfici in legno irregolari, dalla pelle umana, dai tessuti e molto altro.
Ci sono diversi strumenti e software essenziali comunemente utilizzati per la mappatura normale. Eccone alcuni:
1. Software di modellazione 3D: strumenti come Blender, Maya, ZBrush e Substance 3D Modeler vengono usati per creare i modelli che verranno utilizzati per la mappatura normale. Ci sono ottime soluzioni di software che apportano un approccio proprio alla modellazione e allo sculpting.
2. Software per l’applicazione di texture: software come Substance 3D Painter o Adobe Photoshop possono essere utilizzati per creare e modificare le mappe delle texture, tra cui quelle normali.
3. Generatori di mappe normali: i software di generazione di mappe normali aiutano a crearle a partire dalle informazioni sulle texture e la geometria ad alta risoluzione. Strumenti come xNormal, CrazyBump o Substance 3D Designer riescono a generare mappe normali sulla base di diversi input.
4. Motori di gioco: i motori come Unreal Engine e Unity prevedono il supporto integrato per la mappatura normale. Questi motori offrono gli strumenti e le funzionalità di rendering necessari per sfruttare le mappe normali. Anche per la creazione dei rendering sono validi, perché riescono a creare delle esperienze di gioco.
5. Linguaggi di programmazione dell’ombreggiatura: comprendere linguaggi come HLSL (High-Level Shading Language) o GLSL (OpenGL Shading Language) può essere utile per creare shader personalizzati che sfruttano la mappatura normale. Questi linguaggi, infatti, permettono agli sviluppatori di definire il modo in cui la luce interagisce con le mappe normali e con quelle delle altre texture per ottenere effetti visivi stupendi.
Questa lista non è sicuramente esaustiva, ma offre ai creatori un punto di partenza per costruire le basi della comprensione della mappatura normale e implementarla negli ambienti di rendering in tempo reale.
Le mappe normali memorizzano informazioni esplicite sulla normale della superficie utilizzando immagini RGB in cui ogni colore rappresenta i componenti X, Y e Z sul vettore della normale della superficie in ogni texel. Le mappe normali catturano molte più informazioni rispetto all’orientamento di una superficie. Non danneggiano la geometria del modello, ma modificano comunque il modo in cui la luce interagisce intorno a essa.
Rispetto alle mappe dei rilievi, le mappe normali forniscono dei risultati più precisi, catturando dettagli della superficie ben oltre le sole variazioni dell’altezza.
1. Dettagli della superficie realistici: la mappatura normale permette di inserire dettagli complessi sulla superficie senza aumentare la complessità geometrica.
2. Efficienza: la mappatura normale è una tecnica efficiente a livello computazionale, specialmente se confrontata con la tecnica dell’aumento del numero di poligoni dei modelli per ottenere i dettagli della superficie.
3. Riduzione dei requisiti di memoria: la mappatura normale memorizza le informazioni in formato texture, che generalmente utilizza meno memoria rispetto alla memorizzazione delle informazioni geometriche.
4. Riusabilità: la mappatura normale può essere facilmente applicata a diversi modelli e permette ad artisti e sviluppatori di riutilizzarli su più risorse. Questo consente di risparmiare in termini di tempo, di lavoro e di dimensioni finali del prodotto.
5. Effetti di luce interattivi: la mappatura normale migliora l’interazione della luce con un modello e permette di ottenere effetti di illuminazione 3D dinamica come le luci speculari, le variazioni d’ombra e dei riflessi più precisi.
1. Alterazione geometrica limitata: la mappatura normale influisce solo sull’aspetto dei dettagli della superficie e non può modificare la geometria. L’illusione che generano può essere spesso utile, anche se a volte richiede l’utilizzo di altre tecniche quando è necessaria una effettiva modifica geometrica.
2. Creazione e modifica: la creazione di una mappa normale di qualità può essere complicata e richiede conoscenze e software specialistici. Anche la sua modifica risulta complessa a causa della natura complessa dei dati.
3. Limitazione dello spazio della texture: le mappe normali richiedono più spazio di texture perché vengono generalmente memorizzate come immagini RGB. Questo può avere un impatto sull’utilizzo della memoria e può richiedere un’attenta ottimizzazione in alcune istanze.
4. Limitazioni dello spazio tangente: le mappe normali sono generalmente definite in spazi tangente, quindi dipendono dall’orientamento del modello e dalle coordinate UV. Questo può causare artefatti visivi quando si applica la stessa mappa normale a modelli con layout e orientamenti UV diversi.
Nonostante alcune limitazioni, le mappe normali sono la tecnica più efficace per il miglioramento della qualità e del realismo visivi dei modelli 3D in tempo reale. Offrono infatti un perfetto equilibrio tra prestazioni e fedeltà visiva e, per questo, sono uno strumento fondamentale per il rendering e il texturing 3D.
Una mappa normale viene creata utilizzando un’immagine RGB (rossa, verde e blu) in cui ogni canale colore rappresenta le componenti X, Y e Z della normale della superficie in ogni livello della mappa. Questo significa che una mappa normale ha tre canali e ognuno contiene valori positivi o negativi.
Tutti e tre i canali vengono utilizzati insieme per fornire dati di orientamento espliciti per ogni texel, utilizzati durante il rendering per migliorare gli effetti di luce e ombra nel modello 3D.
Nella computer grafica, “normale” si riferisce a un vettore perpendicolare (o “normale”) a una superficie in un punto specifico. Quindi, si parla di “mappe normali” perché memorizzano informazioni sulle normali delle superfici dei modelli 3D.
Applicando una mappa normale durante il rendering, le normali della superficie del modello 3D vengono modificate in base alle informazioni memorizzate all’interno della mappa e si ottengono come risultato gli effetti di luce e ombra che creano l’illusione dei dettagli di superficie complessi.
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