Завдяки застосуванню мап нормалей у комп’ютерній 3D-графіці не кожну деталь 3D-моделі потрібно моделювати або ліпити в геометричному каркасі об’єкта. За допомогою цієї техніки створюють ілюзорні деталі поверхні для підвищення реалістичності цифрових об’єктів без збільшення геометричної складності.
У 3D-моделюванні поверхні подано багатокутниками. Розрахунок освітлення виконується на основі геометрії цих багатокутників так само, як художником використовується техніка затінення для імітації тривимірності. Цей підхід працює дуже добре, але може бути надзвичайно трудомістким, що обмежує загальний рівень деталізації. Застосування мап нормалей забезпечує чудове, легке рішення, за рахунок зміни способу взаємодії світла з поверхнею без порушення базової геометрії.
У мапах нормалей зберігається інформація про поверхню у вигляді зображення текстури. Завдяки закодуванню нормалей поверхні в текстурі мапи нормалей забезпечують можливість імітування появи деталей поверхні, як-от нерівності, подряпини, зморшки тощо, без ускладнення геометрії у їх основі.
Мапи нормалей розраховуються під час візуалізації з використанням модифікованої нормалі поверхні з мапи нормалей. Оскільки ці обчислення менш трудомісткі, високий рівень деталізації може досягатися навіть у реальному часі, що забезпечує популярність мап нормалей серед розробників відеоігор.
Загалом застосування мап нормалей є універсальною технікою і має використовуватися всіма 3D-художниками й дизайнерами для прискорення та покращення роботи.
Застосування мап нормалі можна побачити не лише в сценаріях, де апаратні обмеження є надзвичайно важливими, як у відеоіграх, які вимагають візуалізації сцен для гравця у реальному часі, але й у комп’ютерних анімаційних фільмах, архітектурній візуалізації та дизайні продукції.
Застосування мап нормалей не впливає на забарвлення об’єкта, тому його найчастіше використовують у випадках, коли поверхня об’єкта не є ідеально рівною або гладкою. Варто зазначити, що це означає можливість використання мапи нормалей майже у кожній 3D-моделі для підтвердження її реалістичності, починаючи від потертої шкіри, нерівних дерев’яних волокон, людської шкіри, тканини тощо.
Зазвичай для застосування мап нормалей використовуються кілька основних інструментів і програм. Нижче наведено декілька з них.
1. Програмне забезпечення для 3D-моделювання: інструменти, як-от Blender, Maya, ZBrush та Substance 3D Modeler, використовуються для створення моделей для мап нормалей. Розроблено чимало чудових програмних рішень, кожне з яких пропонує свій власний підхід до моделювання та скульптування.
2. Програмне забезпечення для створення текстур: для створення та редагування мап текстур, зокрема мап нормалей, можна використовувати програми, як-от Substance 3D Painter або навіть Adobe Photoshop.
3. Генератори мап нормалей: програмне забезпечення для створення мап нормалей допомагає створювати мапи нормалей з геометрії високої роздільної здатності або інформації про текстури. Інструменти, як-от xNormal, CrazyBump або Substance 3D Designer, можуть генерувати мапи нормалей на основі різних вхідних даних.
4. Ігрові рушії: ігрові рушії, такі як Unreal Engine та Unity, мають вбудовану підтримку для застосування мап нормалей. Ці рушії надають необхідні інструменти та можливості візуалізації для використання переваг мап нормалей. Вони однаково добре придатні як для створення візуалізацій, так і для забезпечення ігрового процесу.
5. Мови програмування шейдерів: знання мов програмування шейдерів, як-от HLSL (High-Level Shading Language) або GLSL (OpenGL Shading Language), може бути корисним для створення власних шейдерів, які використовують переваги мап нормалей. Ці мови дають розробникам можливість визначати, як освітлення взаємодіє з мапами нормалей та іншими мапами текстур для отримання дивовижних візуальних ефектів.
Можливо, цей список не є вичерпним, але він пропонує митцям непогану відправну точку для формування фундаментального розуміння мап нормалей і того, як їх впровадити в середовищах рендерингу в режимі реального часу.
Мапи нормалей зберігають явну інформацію про нормаль поверхні, використовуючи RGB-зображення, де кожен колірний канал відповідає компонентам X, Y і Z вектора нормалі поверхні на кожному текселі. У мапах нормалей фіксується набагато більше інформації про орієнтацію поверхні. Самі вони не впливають на геометрію моделі, але змінюють те, як світло взаємодіє з нею.
Порівняно з мапами рельєфу, мапи нормалей забезпечують найточніші результати, фіксуючи деталі поверхні, а не тільки зміну висоти.
1. Реалістичні деталі поверхні: застосування мапи нормалей дає змогу додавати складні деталі поверхні без збільшення геометричної складності.
2. Ефективність: мапи нормалей є обчислювально ефективним методом для досягнення деталізації поверхні, особливо порівнянно зі збільшенням кількості багатокутників моделі.
3. Зниження рівня вимог до пам’яті: мапи нормалей зберігають інформацію у форматі текстур, для якого зазвичай використовується менше пам’яті порівняно зі зберіганням геометричної інформації.
4. Можливість багаторазового використання: мапи нормалей можна легко застосовувати до різних моделей, що забезпечує художникам і розробникам можливість повторно використовувати їх у різних проєктах. Це заощаджує час, зусилля та кінцевий розмір витвору.
5. Інтерактивні світлові ефекти: мапи нормалей покращують взаємодію світла з моделлю, забезпечуючи можливість реалізації ефектів динамічного 3D-освітлення, як-от дзеркальні відблиски, варіації затінення та більш точні відображення.
1. Обмеження зміни геометрії: мапи нормалей впливають лише на зовнішній вигляд деталей поверхні й не можуть змінювати геометрію. Ілюзія, яку вони створюють, часто може бути корисною, хоча іноді можуть знадобитися інші методи, якщо потрібна реальна зміна геометрії.
2. Створення та редагування: створення високоякісних мап нормалей може бути складним завданням і вимагає спеціальних знань і програмного забезпечення. Редагування мап нормалей може бути ускладненим через заплутану природу даних.
3. Обмеження простору текстури: мапи нормалей потребують додаткового простору для текстур, оскільки вони зазвичай зберігаються як RGB-зображення. Це може вплинути на використання пам’яті в цілому і в деяких випадках вимагати суттєвої оптимізації.
4. Обмеження дотичного простору: мапи нормалей зазвичай визначаються в дотичному просторі, тобто вони залежать від орієнтації моделі та UV-координат. Іноді це може спричинити візуальні артефакти в разі застосування тієї самої мапи нормалей до моделей із різними UV-схемами або орієнтаціями.
Незважаючи на деякі обмеження, мапи нормалей є найефективнішим методом покращення візуальної якості та реалістичності 3D-моделей у реальному часі. Мапи нормалей забезпечують здоровий баланс між продуктивністю та точністю відтворення, що робить його неоціненним інструментом для 3D-текстурування та візуалізації.
Нормалі створюються з використанням зображення RGB (червоний, зелений і синій), де кожен колірний канал відповідає компонентам X, Y і Z вектора нормалі поверхні на кожному текселі мапи. Це означає, що мапа нормалей має три канали, кожен з яких містить додатні або від’ємні значення.
Усі три канали використовуються разом для надання достовірних даних орієнтації для кожного текселя, що використовуються під час візуалізації для покращення ефектів освітлення та затінення 3D-моделі.
У комп’ютерній графіці «нормаль» означає вектор, перпендикулярний (або «нормально спрямований») до поверхні в певній точці. Отже, ми називаємо мапи нормалей «мапами нормалей», оскільки в них зберігається інформація про нормалі поверхні 3D-моделі.
У разі застосування мапи нормалей під час візуалізації нормалі поверхні 3D-моделі модифікуються відповідно до інформації, що зберігається в мапі, у результаті чого виникають ефекти освітлення та затінення, які створюють ілюзію складних деталей поверхні.
Створюйте, інсценуйте й візуалізуйте 3D-об’єкти та сцени й додавайте до них текстуру.