凹凸貼圖、法線貼圖、置換貼圖

凹凸貼圖、法線貼圖、置換貼圖而原先我們只能在墻壁、樹皮上看到一點(diǎn)法線貼圖的效果....所以下一輪的模型設(shè)計，這個元素是熱點(diǎn)..... 先轉(zhuǎn)這篇文章過來談?wù)劯拍睿侵v如何制作。其實(shí)我本人對模型制作3D之類完全外行轉(zhuǎn)這個只是想拋磚引玉歡送大家爭論灌水頂貼就不必了首先我想說，對于凹凸貼圖在計算機(jī)圖形領(lǐng)域中的爭論，最早開頭于70年月末，至今已經(jīng)有接近30年歷史了。NormalMap只是一種目前很流行的凹凸貼圖技術(shù)，而這里將會介紹一些目XBOX360和PlayStation3BumpMapping凹凸貼圖CG的朋友肯定比FXCarlBumpMap。這種貼圖是一種灰度圖，用外表上灰度的變化來描述目標(biāo)外表的凹凸，因此這種貼圖是黑白的，假設(shè)節(jié)約空間的畫，甚至可以把貼圖的Alpha通道征用來用作Bump。值得留意的是，這種貼圖外表上存儲的東西是高度域－－即每個點(diǎn)和原始外表的高度差，記住，每個點(diǎn)的顏色不是顏色，是高度，一個數(shù)值！因此，對3D在玩耍中，所使用的算法精準(zhǔn)的說應(yīng)當(dāng)叫做fakebumpmapping，假凹凸貼圖。由于在玩耍中BumpMap把BumpMap疊加在已經(jīng)渲染好的外表上，造成亮度上的擾動，從而讓人以為是凹凸的－－這個很簡潔理解，把一面白色的墻面有技巧的局部劃成灰色就會變成蝕痕，這些諸位會比小的更擅長。而計算簡單度是根本加減法。這個所謂的FakeBumpMappingGeforce2就開頭硬件支持，但是從來沒有大范圍的應(yīng)用過。不過好玩的是，BumpMap這個東西卻從未過時，在后來的渲染算法中，其儲存外表高度域的特性仍舊發(fā)揮著巨大的作用。我們后文再提NormalMapping 法線貼圖NormalMapping在玩耍領(lǐng)域中的實(shí)踐是一個格外值得記住的時期－－Geforce3上市，GPU概念消滅，硬件可編程流水線的消滅〔Shaders〕，NormalMapping是一種凹凸貼圖技術(shù)，它的另Dot3bumpmapping。用于實(shí)現(xiàn)它的掌握紋理是一張叫做NormalMap的紋理，也是目前大家在爭論如何之作的那種。我們先說說這張叫做NormalMap的圖。這張圖中存儲的東西是每個原始外表法線的迭代，說起來有點(diǎn)簡單，但是不難理解。舉例說我們的說面，一般在玩耍的3D模型上，外表法線就像是一根站立于桌面的鋼筆，垂直向上。而NormalMap中存儲的東西就是我們這支表示外表法線方向15NormalMap有兩種主要形式，一種叫做世界空間的NormalMap，一種叫做切空間的NormalMap。第一種在玩耍中沒有有用價值，我們說其次種，也就是大家最常見的一種。NormalMap會有這么驚異的顏色呢？其實(shí)NormalMap和BumpMap一樣，了。在NormalMap的定義中，有一個事先的商定，這個商定就是－－原本外表的垂直方向，我們ZUVXY〔精準(zhǔn)的說，應(yīng)當(dāng)是稱作切線和負(fù)法線，但是這兩個東西和大家生疏的UV坐標(biāo)剛好重疊，所以就用大家更習(xí)慣的說法了〕我們知道假設(shè)我們在XYZ軸上各取一個點(diǎn)，這個點(diǎn)的取值位置在-1到1之間，那么我們就可以得到一個指向任何方向的法線方向〔不用多解釋，大家知道法線是一個向量，向量有方向和長度兩個概念，但是對法線來說，長度是不需要的〕。但是，請大家留意，我們在描述顏色的時候，RGB三個通道的取值范圍都是從零開頭的?？墒钱?dāng)我們嘗試把一個任意的法線保存在一張紋理中的時候，會面臨取負(fù)值的問題。因此我們要把法線做壓縮。方法很簡潔，把XYZ每個軸上的法線投影長度進(jìn)展N＋1/20和1的范圍里。然后我們把XYZ的方向分別存儲在RGBNormalMap會是藍(lán)兮兮的緣由是吧。那么現(xiàn)在就是公布結(jié)果的時候了！首先，我們知道假設(shè)在一個物體外表，法線垂直向上，那么它的XYZ坐標(biāo)是多少？是0,0,1對不對?然后我們把這個數(shù)字依據(jù)我們前面所說的壓縮方法進(jìn)展壓縮，每個數(shù)字加1然后再除以2，那么我們得到的是0.5,0.5,1對不對？好我們把它代入到RGB中，那么我們會得到128,128,255對不對？好了，試試看在調(diào)色板里的顏色吧！P.SFXCarl和你猜個謎，看看FXCarl說的對不對。現(xiàn)在我們在NormalMap上觀察一個顏色，這個顏色是219,128,219。那么這個外表的法線方向是垂直向右偏45度。大家用MAX做NormalMapFXCarl假設(shè)你還沒有理解NormalMap的意思，或者說你有興趣再深入了解一些，那么FXCarl再和你說的深入一些。不知道大家對于切空間的理解是什么？我們來個試驗，找三支筆。然后其中兩只筆在桌面放成相互成90度，筆尾接筆尾。最終我們把第三支筆，筆尖向上，筆尾和那兩只桌面上的筆的筆尾疊在一個點(diǎn)上。留意看我們的三支筆！這三支筆就是這張桌面上這個點(diǎn)的切NormalMap中存儲的外表法線方向原來就是一個切空間向量啊，恩沒錯，就是切空間向量。但是似乎看起來切空間沒什么作用是不是？呵呵，我們不妨把桌面換成一個籃球。記住，保持三支筆的相互關(guān)系，然后用三支筆并在一起的筆尾去接觸籃球的外表。呵呵，覺察了沒有？切空間的優(yōu)勢在于，在任意外表上，切空間中的坐標(biāo)都是有效的！也就是說始用切空間中的數(shù)據(jù)就可以做到和3D模型的簡單度無關(guān)！你可以用在任意的外表，甚至這個外表始終在動也不會影響到NormalMap發(fā)揮作用，你說這個切空間是不是很有用呢？讓我們回到開頭，大家就會覺察，假設(shè)使用世界空間的NormalMap會有什么樣的結(jié)果呢？嘿嘿中有兩個一樣的人物，但是他們的姿勢和面對的角度都不一樣。那么……MyGod～確定有一個人物的NormalMap是沒法適用的！而用切空間的NormalMap就沒有問題了。恩，不過這個大家可以放心，MAX或者M(jìn)aya做出來的NormalMap都是切空間的NormalMap，證明的方法很簡潔……看看這張貼圖是不是主要由藍(lán)色構(gòu)成的……OK，下面是重頭戲，告知大家NormalMap是如何發(fā)生作用的。使用NormalMap的先決條件－－逐像素著色。先來說一下傳統(tǒng)著色，傳統(tǒng)玩耍使用的是一個Phong光照模型的簡化版，甚至有玩耍使用Ground模型。這兩種算法的方式都是只對物體3D模型的3DShaders后才有的，因此NormalMapping也是一個Shaders必需的算法。計算一個物體外表漫反射光照的公式是很簡潔的NdotL－－什么是NdotL，就是物體外表的法線和光照方向的點(diǎn)積。點(diǎn)積是一個線性代數(shù)的問題，美術(shù)朋友們可以不用深究，寫成程序也很簡潔：Diffuse=saturate(Mul(Normal,Light))影，然后這個投影的結(jié)果變成黑白中間的一個值。我們同樣舉個簡潔的例子，用兩支筆放在桌面上，然后一支筆不動，令一支筆筆尾和第一支筆的筆尾相連，不動，然后以共同的筆尾做為圓心，移動筆。這時假設(shè)我們從一支筆尖往另外一支筆的筆桿上垂直拉一條線〔一條垂線〕就〔就是一支筆的筆尖連垂線到另一支筆的筆桿上的位置，這個位置沿著筆桿到共同筆尾的長度〕會越來越短，當(dāng)兩支筆垂直的時候，投影的結(jié)果就是零－－沒有光照奉獻(xiàn)了。這個簡潔理解，當(dāng)光線的方向和一個外表確定平行的時候，這個外表就會再也承受不到光線了?，F(xiàn)在我們引入NormalMap。這時我們的光照計算和以往有點(diǎn)不同，我們把外表的法線用NormalMap中存儲的法線來替代。這樣當(dāng)我們在計算外表光照狀況的時候，就會由于法線不斷的變化而產(chǎn)生比原來豐富的多的明暗變化。至于為什么會感覺出凹凸來這個就是人的眼睛自己騙自己了……其實(shí)那里本沒有凹凸的，但是我們?nèi)搜劬μ喙荛e事了。就像Windows的按鈕哪個純平面的東西我們還以為是凸出來的呢。NormalMap－NormalMap視角問題。由于NormalMap只是轉(zhuǎn)變的外表上的光照結(jié)果，并沒有轉(zhuǎn)變外表上的外形。因此，外表上看來，似乎只要是不接近水平，NormalMap就不會有視角問題。其實(shí)不然，NormalMap桌面上突出一塊，然后在突出的這塊東西邊上放一支牙簽。假設(shè)用NormalMap表現(xiàn)，會覺察。依據(jù)閱歷，這個凸起會很輕易的擋住我們的視線，讓我們看不見那支牙簽?？墒荖ormalMap卻直于平面的時候NormalMap才會發(fā)揮最好的作用。這樣一來，NormalMap只能用在大家對遮擋關(guān)系不敏感的場合，比方場景等，不是不能用于人物，而是用NormalMap的人物不太經(jīng)得起特寫，放大了，角度刁鉆了都簡潔穿幫。雖然NormalMap有個不能平視的巨大問題，但是照舊是好處遠(yuǎn)大于小障礙，因此還是格外值得推廣的。后面的幾種興算法其實(shí)都是由NormalMapping也還是最有理解價值的。P.S.關(guān)于NormalMap的一點(diǎn)秘籍。留意理解……NormalMap其實(shí)并不是從低模的外表凸出高模的細(xì)節(jié)的，而是把高模中比最高點(diǎn)的位置低的地方凹進(jìn)去的！因此低模要比高模大一點(diǎn)點(diǎn)才出來的。P.S.2.關(guān)于NormalMap的做法，其實(shí)早期制造NormalMapMAX這種這么便利生NormalMap的方法，NormalMap都是從BumpMap計算得到的，因此其實(shí)通過很簡潔的算法就BumpMapNormalMapOnTheFly〔就是讓玩耍引擎直接讀BumpMap然后轉(zhuǎn)換成NormalMap〕。因此對于一些建起模來效率很低，但是又能明顯增加外表細(xì)節(jié)的東西，例如水泥外表的顆粒，用畫Bump的方式來做是個更好的方法，然后交給技術(shù)美工去搞定好了－－固然你會用Z－Bursh那就當(dāng)我什么都沒說了，呵呵。說來FXCarlMAX線圖的方式也是比較凹凸模上每個點(diǎn)的高度偏移，然后生成每個UV圖素上的高度差來得到一BumpMap，然后再從BumpMapNormalMap。Parallaxmapping視差貼圖〔由于后面的算法都是基于NormalMap的應(yīng)用，可能看上去沒有NormalMapping那么長了，但內(nèi)容確定一樣精彩的！〕視差貼圖是一種NormalMapping算法的增加算法，其本質(zhì)上和NormalMapping沒有區(qū)分。優(yōu)勢是只需要增加3個HLSL語句和一個掌握紋理通道〔只需要幾個GPU指令，代價小到可以無視〕就可以顯著的增加物體外表的深度感。但是NormalMap中消滅的問題，Parallaxmapping根本使用NormalMapFXCarl個人的說法－－ParallaxmappingNormalMapping。目前實(shí)踐證明，這種技術(shù)格外適合XBOX360和PS3這樣的世代玩耍主機(jī)〔都上市一年了還用次世代……我真受不了現(xiàn)在有些人〕。例如360SEGAPCFEARMonolithParallaxmapping。Parallaxmapping使用的還是單張的掌握紋理。一張NormalMap。假設(shè)我們用AcdSee來看這張NormalMap，我們會覺察似乎和NormalMapping用的掌握紋理是一樣的。而假設(shè)我們翻開這張NormalMap的Alpha通道，就會覺察其中的玄機(jī)所在。原來Alpha通道里存儲的是對應(yīng)這張NormalMapBumpMap！〔就是HeightMap，就是用飽和度記錄外表高度〕現(xiàn)在插入一點(diǎn)理論課程。大家留心讀上面的文字，會觀察一個掌握紋理的詞匯。這個詞匯是這里要重點(diǎn)解釋的。由于理解掌握紋理，在成為世代美工的需求中是相當(dāng)重要的。依據(jù)大家這么多年美術(shù)做下來的閱歷，對于圖素(Texel,紋理上的一點(diǎn))的理解確定是RBG3個顏色帶一個表示透亮度的Alpha通道。但是在我們的渲染器和程序員的眼里，它可不是我們美術(shù)朋友們觀察的東西。他們觀察的是一個4通道的矢量〔其實(shí)可以理解成四個數(shù)的組合〕。這4個數(shù)字的取值范圍分別是0到255。通過這個空間，其實(shí)可以用來做更多別的事情－－最常用的就是記錄外表的物理細(xì)節(jié)。至于為什么要用掌握紋理呢？FXCarl前兩天聽一個朋友有這么個說法：我覺得NormalMap的效果也沒什么，直接畫也畫的出來的。其實(shí)這個說法一點(diǎn)都沒錯，但是要知道，這個想法是過時的。由于NormalMap并非用于著色，而是用于更真實(shí)的生成顏色。重所周知，用畫的方式，做靜幀固然可以做到無限好。可是動起來怎么辦？如何才能保證在不同的光照關(guān)系下照舊保證最終著色的結(jié)果正確？唯一的做法，就是每幀重畫一遍。如何才能做到最有效的重畫？那就要把重畫的參考告知我們的渲染器，讓它來幫你做一些簡潔的工作，這就是掌握紋理的作用－－把你想要實(shí)時轉(zhuǎn)變的東西告知渲染器。其實(shí)掌握紋理的范圍很大，除了NormalMap還有很多，比方說Nvidia的DEMO曾經(jīng)用紋理存儲物體外表在陽光下的顏色變化規(guī)律。把藝術(shù)家想要實(shí)時轉(zhuǎn)變的東西壓縮在紋理中告知渲染器是一件相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的工作，固然普遍適用的著色的利器！ParallaxmappingNormalMap的效果的呢。我們要從NormalMap的特性說起。我們假設(shè)在NormalMap外表制作一個凸起。然后我們轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角度看看。我們會覺察，其實(shí)這個凸起的背對我們視線的面～道背后的東西應(yīng)當(dāng)是看不見的才對。因此Parallaxmapping就是來緩解這個問題的，具體的代碼這里不提。我來試著白話解釋一下原理。其實(shí)為了不讓我們觀察“不該看的東西”應(yīng)當(dāng)試著挪動紋理坐標(biāo)……把那個不該給玩家觀察的圖素〔Texel〕跳過去。也就是說依據(jù)高度圖供給的數(shù)據(jù)，把那個位置較低那個紋理的后面的紋理向前拉。相當(dāng)于在圖素采樣的時候刻意的把那個圖素跳過去。這樣那個不該被玩家觀察的像素就會由于圖素的消逝而不見了－－很明顯，這個算法是不太站得住腳的，雖然計算的時候會參考玩家視線的角度。但仍舊是一種來自于經(jīng)驗的估算。值得欣慰的是，對于本身NormalMap所需要表現(xiàn)的微小細(xì)節(jié)來說，這樣的改進(jìn)已經(jīng)看上去不錯。因此開頭有大量的玩耍打算承受。特別是它的優(yōu)點(diǎn)是所消耗的代價極為有限，而需要Alpha但是對于技術(shù)爭論者來說，這樣的表現(xiàn)明顯還是不夠令人滿足的。因此，順著視差貼圖的思路向下進(jìn)展，借助ShaderModel3.0的消滅。消滅了一個真正從物理上轉(zhuǎn)變物體外表的算法，這就DisplacementMappingDisplacementmapping位移貼圖(置換貼圖)和前面說的幾種方式不同，DisplacementMapping是一種真正轉(zhuǎn)變物體外表的方式。通過一種稱為micropolygons〔微多邊形〕tessellate〔鑲嵌〕的技巧來實(shí)現(xiàn)真正的轉(zhuǎn)變物體外表的細(xì)節(jié)。具體流程是這樣的。首先，依據(jù)屏幕的區(qū)分率，在模型的可見面上鑲嵌和最終象素尺寸一樣的微多邊形。這個過程叫做鑲嵌。然后讀取一張Bump