Trong đồ họa máy tính 3D, nhờ có kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến, nên không phải chi tiết nào của mô hình 3D cũng cần được lập mô hình hoặc điêu khắc theo hình dạng của vật thể. Kỹ thuật này được sử dụng để tạo ra các chi tiết bề mặt ảo nhằm nâng cao tính chân thực của các vật thể kỹ thuật số mà không làm tăng độ phức tạp về mặt hình học.
Trong lập mô hình 3D, bề mặt được biểu thị dưới dạng các đa giác. Để tính toán ánh sáng, người sáng tạo dựa vào hình dạng của các đa giác này giống như cách nghệ sĩ sử dụng kỹ thuật tạo bóng để mô phỏng ba chiều. Phương pháp này rất hiệu quả nhưng lại có thể yêu cầu khả năng tính toán chuyên sâu, từ đó hạn chế mức độ chi tiết tổng thể. Kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến đem đến một giải pháp đơn giản và tối ưu bằng cách điều chỉnh cách thức ánh sáng tương tác với bề mặt mà không làm thay đổi hình học cơ bản.
Bản đồ pháp tuyến lưu trữ thông tin về một bề mặt dưới dạng hình ảnh kết cấu. Bằng cách mã hóa pháp tuyến của bề mặt trong một kết cấu, bản đồ pháp tuyến có thể mô phỏng hình thức của chi tiết bề mặt, chẳng hạn như vết lồi, vết xước, nếp nhăn, v.v. mà không làm tăng thêm độ phức tạp cho hình học bên dưới.
Bản đồ pháp tuyến được tính toán trong quá trình kết xuất bằng cách sử dụng pháp tuyến của bề mặt được sửa đổi từ bản đồ pháp tuyến. Do những thao tác tính toán này yêu cầu ít năng lực tính toán hơn, nên bạn có thể đạt được mức độ chi tiết cao, ngay cả trong thời gian thực. Do đó, ánh xạ pháp tuyến trở thành một kỹ thuật phổ biến được các nhà phát triển trò chơi điện tử ưa dùng.
Nhìn chung, ánh xạ pháp tuyến là một kỹ thuật linh hoạt. Tất cả các nghệ sĩ và nhà thiết kế 3D đều nên sử dụng kỹ thuật này để tăng tốc và cải thiện quy trình làm việc của họ.
Bạn sẽ thấy kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến không chỉ được sử dụng trong các tình huống khi các hạn chế về phần cứng có vai trò cực kỳ quan trọng như trò chơi điện tử – đòi hỏi phải kết xuất các cảnh theo thời gian thực cho người chơi, mà còn được sử dụng trong các bộ phim hoạt hình trên máy tính, trực quan hóa kiến trúc và thiết kế sản phẩm.
Kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến không tác động đến màu sắc của vật thể. Do đó, có thể thấy kỹ thuật này được sử dụng thường xuyên nhất trong những tình huống bề mặt của vật thể không hoàn toàn bằng phẳng hoặc mịn. Nói một cách khách quan, điều này có nghĩa là gần như tất cả các mô hình 3D đều có thể sử dụng bản đồ pháp tuyến để phê duyệt độ chân thực của mô hình, từ hiệu ứng da bị mòn, vân gỗ gập ghềnh, da người, vải, v.v.
Kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến thường sử dụng một số công cụ và phần mềm thiết yếu. Sau đây là một số ví dụ:
1. Phần mềm tạo mô hình 3D: Các công cụ như Blender, Maya, ZBrush và Substance 3D Modeler được dùng để tạo các mô hình sẽ được sử dụng cho kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến. Có rất nhiều giải pháp phần mềm hữu ích, tất cả các phần mềm đó đều có phương pháp riêng để thực hiện quy trình tạo mô hình và điêu khắc.
2. Phần mềm vẽ kết cấu: Phần mềm như Substance 3D Painter hoặc thậm chí cả Adobe Photoshop cũng có thể được dùng để tạo và chỉnh sửa bản đồ kết cấu, bao gồm cả bản đồ pháp tuyến.
3. Công cụ tạo bản đồ pháp tuyến: Phần mềm tạo bản đồ pháp tuyến hỗ trợ bạn tạo bản đồ pháp tuyến từ thông tin kết cấu hoặc hình học có độ phân giải cao. Các công cụ như xNormal, CrazyBump hoặc Substance 3D Designer có thể tạo bản đồ pháp tuyến dựa theo nhiều thông tin đầu vào khác nhau.
4. Công cụ trò chơi: Các công cụ trò chơi như Unreal Engine và Unity có hỗ trợ được tích hợp sẵn để tạo bản đồ pháp tuyến. Các công cụ này cung cấp dụng cụ cần thiết và khả năng kết xuất để khai thác bản đồ pháp tuyến. Tất cả các công cụ này đều hữu ích trong việc tạo bản kết xuất cũng như đem lại trải nghiệm chơi trò chơi.
5. Ngôn ngữ lập trình Shader: Việc hiểu được các ngôn ngữ lập trình Shader như HLSL (Ngôn ngữ Shading cấp cao) hoặc GLSL (Ngôn ngữ Shading OpenGL) có thể hữu ích trong việc tạo các trình đổ bóng tùy chỉnh thông qua kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến. Những ngôn ngữ này hỗ trợ nhà phát triển xác định cách thức ánh sáng tương tác với bản đồ pháp tuyến và các bản đồ kết cấu khác để đạt được hiệu ứng hình ảnh ấn tượng.
Danh sách này có thể không đầy đủ hoàn toàn, nhưng đã cung cấp cho người sáng tạo một nền tảng tuyệt vời để bắt đầu trau dồi kiến thức cơ bản về ánh xạ pháp tuyến và cách triển khai kỹ thuật này trong môi trường kết xuất theo thời gian thực.
Bản đồ pháp tuyến lưu trữ thông tin rõ ràng về pháp tuyến của bề mặt bằng cách sử dụng hình ảnh RGB trong đó mỗi kênh màu biểu thị các thành phần X, Y và Z của vectơ pháp tuyến bề mặt tại mỗi texel. Bản đồ pháp tuyến thu thập được nhiều thông tin hơn về hướng của bề mặt. Bản đồ pháp tuyến không tác động đến hình dạng của mô hình, nhưng vẫn thay đổi cách thức ánh sáng tương tác với môi trường xung quanh.
So với bản đồ bump, bản đồ pháp tuyến cho ra kết quả chính xác nhất, chỉ lưu lại các chi tiết bề mặt ngoài các biến thể về độ cao.
1. Chi tiết bề mặt chân thực: Ánh xạ pháp tuyến cho phép bổ sung các chi tiết bề mặt tinh xảo mà không làm tăng độ phức tạp về hình học.
2. Tính hiệu quả: Ánh xạ pháp tuyến là một kỹ thuật tính toán hiệu quả, đặc biệt là khi so sánh với việc tăng số lượng đa giác của mô hình để đạt được chi tiết bề mặt.
3. Giảm yêu cầu về bộ nhớ: Ánh xạ pháp tuyến lưu trữ thông tin ở định dạng kết cấu, thường sử dụng ít bộ nhớ hơn so với lưu trữ thông tin hình học.
4. Khả năng tái sử dụng: Bản đồ pháp tuyến có thể dễ dàng được áp dụng cho các mô hình khác nhau, từ đó hỗ trợ nghệ sĩ và nhà phát triển tái sử dụng mô hình cho nhiều nội dung. Nhờ đó, họ có thể tiết kiệm thời gian, công sức và kích thước cuối cùng của sản phẩm.
5. Hiệu ứng chiếu sáng tương tác: Ánh xạ pháp tuyến tăng cường mức độ tương tác của ánh sáng với mô hình, từ đó hỗ trợ hiệu ứng chiếu sáng 3D linh hoạt, chẳng hạn như các điểm sáng, các biến thể đổ bóng và phản chiếu chính xác hơn.
1. Khả năng thay đổi hình học ở mức hạn chế: Bản đồ pháp tuyến chỉ tác động đến hình thức của chi tiết bề mặt và không thể thay đổi hình dạng. Ảo ảnh do kỹ thuật này tạo ra thường có thể hữu ích, nhưng đôi khi có thể cần dùng đến các kỹ thuật khác khi có nhu cầu sửa đổi hình học thực tế.
2. Sáng tạo và chỉnh sửa: Việc tạo bản đồ pháp tuyến chất lượng cao có thể là quy trình khó khăn, đồng thời yêu cầu người thực hiện có kiến thức và phần mềm chuyên dụng. Do tính chất phức tạp của dữ liệu, nên người thực hiện có thể gặp khó khăn khi chỉnh sửa bản đồ pháp tuyến.
3. Giới hạn không gian kết cấu: Bản đồ pháp tuyến yêu cầu tăng thêm không gian kết cấu do chúng thường được lưu trữ dưới dạng hình ảnh RGB. Điều này có thể ảnh hưởng đến mức độ sử dụng bộ nhớ tổng thể và có thể đòi hỏi quy trình tối ưu hóa kỹ lưỡng trong một số tình huống.
4. Giới hạn không gian tiếp tuyến: Bản đồ pháp tuyến thường được xác định trong không gian tiếp tuyến, do đó, chúng phụ thuộc vào hướng của mô hình và tọa độ UV. Điều này đôi khi có thể gây ra hiện tượng hình ảnh giả khi áp dụng cùng một bản đồ pháp tuyến cho các mô hình có bố cục hoặc hướng UV khác nhau.
Mặc dù có một số hạn chế, nhưng bản đồ pháp tuyến là kỹ thuật hiệu quả nhất góp phần nâng cao chất lượng hình ảnh và tính chân thực của mô hình 3D trong thời gian thực. Kỹ thuật ánh xạ pháp tuyến tạo ra sự cân bằng lành mạnh giữa hiệu suất và độ chân thực của hình ảnh, do đó, đây là công cụ cực kỳ có giá trị trong quy trình tạo kết cấu 3D và kết xuất.
Pháp tuyến được tạo bằng hình ảnh RGB (đỏ, lục và lam), trong đó mỗi kênh màu trong hình ảnh biểu thị các thành phần X, Y và Z của bề mặt pháp tuyến tại mỗi texel của bản đồ. Do đó, bản đồ pháp tuyến có ba kênh, mỗi kênh có chứa giá trị dương hoặc âm.
Cả ba kênh này được sử dụng cùng nhau để cung cấp dữ liệu định hướng rõ ràng cho từng texel, được sử dụng trong quá trình kết xuất nhằm nâng cao hiệu ứng ánh sáng và đổ bóng trên mô hình 3D.
Trong đồ họa máy tính, "pháp tuyến" tức là một vectơ vuông góc (hoặc "pháp tuyến") với mặt phẳng tại một điểm cụ thể. Do đó, chúng tôi gọi loại bản đồ này là "bản đồ pháp tuyến" vì chúng lưu trữ thông tin về các pháp tuyến bề mặt của mô hình 3D.
Khi áp dụng bản đồ pháp tuyến trong quá trình kết xuất, các tham số bề mặt của mô hình 3D được điều chỉnh dựa trên thông tin được lưu trữ trong bản đồ, từ đó tạo ra hiệu ứng ánh sáng và đổ bóng tạo ảo giác về các chi tiết tinh xảo trên bề mặt.
Tạo, kết cấu, dàn dựng và kết xuất các đối tượng và cảnh 3D.