Dies ist die Norm: Was sind normale Karten und wie funktionieren sie?

Ich habe mehrere Jahre lang versucht, die normalen Karten und die Probleme zu verstehen, die normalerweise bei der Arbeit mit ihnen auftreten.

Die meisten Erklärungen, die ich fand, waren zu technisch, unvollständig oder zu kompliziert, als dass ich sie hätte verstehen können. Deshalb beschloss ich, die von mir gesammelten Informationen zu erklären. Ich verstehe, dass diese Erklärungen möglicherweise unvollständig oder nicht ganz korrekt sind, aber ich werde es trotzdem versuchen.

Die ersten von Menschen erstellten 3D-Modelle sahen ungefähr so ​​aus:


Das ist großartig, aber ein solches Modell hat eine offensichtliche Einschränkung: Es sieht zu polygonal aus.

Die naheliegendste Lösung: Fügen Sie mehr Polygone hinzu, um die Oberfläche gleichmäßiger und glatter zu machen, bis die Polygone als einzelne glatte Oberfläche erscheinen. Es stellt sich jedoch heraus, dass Sie (besonders heute) eine große Anzahl von Polygonen benötigen, um Oberflächen wie Kugeln glatt zu machen.


Eine andere Lösung war nötig, und so wurden die Normalen erfunden. (Ganz so ist es nicht passiert, aber es ist einfacher zu erklären und zu verstehen.)

Folgen wir der Linie von der Mitte des Polygons senkrecht zu seiner Oberfläche. Wir werden dieser Zeile einen sehr ungewöhnlichen Namen geben: normal. Das Ziel der Normalen besteht darin, zu steuern, wo die Oberfläche hinweist, sodass Licht, das von dieser Oberfläche reflektiert wird, die Normalen zur Berechnung der resultierenden Reflexion verwenden kann. Wenn Licht auf das Polygon trifft, vergleichen wir den Winkel des Lichtstrahls mit der Normalen des Polygons. Der Strahl wird im gleichen Winkel zur Normalenrichtung reflektiert:


Mit anderen Worten ist die Lichtreflexion in Bezug auf die Normalen des Polygons symmetrisch. So funktionieren die meisten Reflexionen in der realen Welt. Standardmäßig werden Lichtstrahlen von allen Polygonen völlig senkrecht zu ihrer Oberfläche reflektiert (wie es im wirklichen Leben der Fall sein sollte), da die Polygonnormalen standardmäßig senkrecht zur Oberfläche des Polygons stehen. Wenn es Lücken in den Normalen gibt, werden wir sie als getrennte Flächen sehen, da das Licht in die eine oder andere Richtung reflektiert wird.


Wenn die beiden Flächen verbunden sind, können wir den Computer auffordern, den Übergang zwischen der Normalen eines Polygons zu einem anderen zu glätten, sodass die Normalen allmählich in Übereinstimmung mit der nächsten Normalen des Polygons ausgerichtet werden. Wenn das Licht genau auf die Mitte eines Polygons trifft, wird es entsprechend der Richtung der Normalen direkt reflektiert. Zwischen den Polygonen wird diese normale Richtung geglättet, wodurch sich die Lichtreflexion ändert.


Wir werden den Übergang als eine einzelne Oberfläche wahrnehmen, da das Licht zwischen dem einen und dem anderen Polygon auf sanfte Weise reflektiert wird und es keine Lücken zwischen ihnen gibt. Tatsächlich wird Licht von diesen Polygonen glatt reflektiert, als hätten wir viele Polygone.

Dies steuern wir, indem wir Glättungsgruppen festlegen (3ds Max, Blender) oder Kanten als hart oder glatt festlegen (Modo, Maya): Wir teilen dem Programm mit, welche Übergänge zwischen Flächen glatt und welche hart sein sollen.

Hier ist ein Vergleich einer Kugel von 288 Polygonen mit harten und glatten Übergängen:


Potenziell können wir so etwas wie ein Parallelepiped so spezifizieren, dass alle seine Scheitelpunkte gemittelte Normalen haben. Der 3D-Editor bemüht sich, seine Oberfläche so zu glätten, dass sie wie eine einzige glatte Oberfläche aussieht. Für einen 3D-Editor ist dies ziemlich logisch, aber es sieht sehr seltsam aus, da wir ein Objekt haben, das offensichtlich mehrere separate Oberflächen haben sollte (jede Seite der Box). Das Programm versucht jedoch, sie als eine glatte Oberfläche anzuzeigen.


Aus diesem Grund haben 3D-Editoren normalerweise einen Parameter zum Glätten von Winkeln: Wenn zwei verbundene Polygone in einem Winkel über dem Glättungswinkel liegen, ist der Übergang glatt und die Verbindungspolygone in einem Winkel, der kleiner als der Glättungswinkel ist, sind steif. Dadurch werden steile Winkel zwischen Oberflächen wie in der realen Welt als unterschiedliche Oberflächen dargestellt.

Wir haben also die Normalen verwendet, um die Übergänge zwischen den Flächen des Modells zu steuern, aber Sie können noch weiter gehen.

Da wir die Art und Weise ändern, wie Licht von einem Objekt reflektiert wird, können wir auch ein sehr einfaches Objekt dazu bringen, Licht als komplex zu reflektieren. Dies wird als normale Karte bezeichnet. Wir verwenden eine Textur, um die Richtung des von einem 3D-Objekt reflektierten Lichts zu ändern, sodass es härter aussieht als es wirklich ist.

Ein Beispiel aus der realen Welt sind die Hologramme, die bisher beim Kauf von Kartoffelchips (zumindest hier in Spanien) geschenkt wurden. Sie sind vollständig flach, reflektieren das Licht jedoch so, wie es ein 3D-Objekt tun würde, was es schwieriger macht, als es wirklich ist. In der Welt der 3D-Grafik funktioniert dies noch besser, hat aber immer noch seine Grenzen (da die Oberfläche flach bleibt).

Obwohl wir die Polygonnormalen verwenden, um eine Art schwarze Magie zu implementieren, steuern wir die Glättung der Modelloberfläche nicht mithilfe der Polygonnormalen. Wir verwenden Vertexnormalen, um die Glättung von Normalen zu steuern. Im Wesentlichen ist die Idee die gleiche, aber etwas komplizierter.

Jeder Scheitelpunkt kann einer oder mehreren Normalen zugeordnet werden. Wenn es eine Normale hat, können wir sie die gemittelte Normale des Scheitelpunkts nennen, und wenn mehrere - dann die geteilte Normale des Scheitelpunkts.

Nehmen wir zwei Polygone, die durch eine Kante verbunden sind. Wenn der Übergang zwischen zwei Flächen glatt ist (wenn wir ihn in Maya / Modo als glatt angegeben haben oder beide die gleiche Glättungsgruppe in Max / Blender haben), hat jeder Scheitelpunkt eine Normale, die die Durchschnittsnormale der Polygone ist (weshalb sie als Durchschnittsnormale des Scheitelpunkts bezeichnet wird) ) Wichtiger Hinweis: Bis vor kurzem hat jeder 3D-Editor die Durchschnittsnormalen von Scheitelpunkten auf seine eigene Weise berechnet, d. H. Normale Karten, die in einem Programm in einem anderen berechnet wurden, können völlig anders aussehen. Im zweiten Teil des Tutorials werde ich Ihnen mehr darüber erzählen.


Wenn der Übergang hart ist (harte Kante oder verschiedene Glättungsgruppen), hat jeder Scheitelpunkt mehrere Normalen: eine für jeden verbundenen Scheitelpunkt, der entsprechend seiner Normalen ausgerichtet ist. In diesem Fall entsteht eine Lücke zwischen den Normalen, die wie zwei verschiedene Flächen aussieht. Dies ist das, was als Split Vertex Normal bezeichnet wird.



Wie Sie vielleicht erraten haben, ist die normale Kontrolle der Scheitelpunkte sehr wichtig, wenn wir normale Karten kontrollieren möchten. Glücklicherweise müssen wir die Normalen nicht direkt ändern oder sogar sehen. Wenn Sie jedoch wissen, wie sie funktionieren, können Sie besser verstehen, warum wir diese Arbeit ausführen, und die Probleme, auf die wir möglicherweise stoßen, besser verstehen.

Beim Backen einer normalen Karte weisen wir das Programm im Wesentlichen an, die Richtung zu ändern, in der die Normalen des Lowpoly-Modells verlaufen, sodass sie der Richtung im Highpoly-Modell entsprechen. Daher reflektiert das Lowpoly-Modell das Licht auf die gleiche Weise wie Highpoly. Alle diese Informationen werden in einer Textur gespeichert, die als normale Karte bezeichnet wird. Schauen wir uns ein Beispiel an.

Nehmen wir an, wir haben ein solches Low-Poly-Modell (Low-Poly). Eine flache Oberfläche mit vier Eckpunkten und UV-Einstellungen, mit denen das Backprogramm eine normale Karte erstellt.


Und sie muss Informationen über Normalen von diesem High-Poly-Modell erhalten, dessen Normalen komplizierter sind.


Denken Sie daran, dass wir nur Informationen über Normalen übertragen, d. H. UV, Material, Topologie, Transformationen usw. nicht relevant. Bewährte Regel: Wenn das Highpoly-Modell gut aussieht, sind auch seine Normalen gut und sollten zum Backen geeignet sein.

Das Backprogramm nimmt ein Lowpoly-Modell auf und strahlt Strahlen aus, die den Richtungen der Lowpoly-Normalen folgen (weshalb wir die Lowpoly-Normalen kontrollieren müssen). Diese Strahlen haben eine begrenzte Länge, um keine normalen Informationen von entfernten Rändern zu erhalten (normalerweise wird diese Distanz als Backdistanz oder Käfigdistanz bezeichnet). Wenn diese Strahlen mit HighPoly kollidieren, berechnet das Backprogramm, wie diese Strahlen reflektiert werden, damit sie der Richtung der HighPoly-Normalen folgen, und speichert diese Informationen in der normalen Karte.


Hier ist das Backergebnis für unser Beispiel:


Wir haben eine Textur, mit der der Motor die Lowpoly-Normalen so ändert, dass das Licht von diesem Lowpoly-Modell genauso reflektiert wird wie von der Highpoly-Version. Vergessen Sie nicht, dass dies nur eine Textur ist, die die Silhouette des Lowpoly-Modells nicht beeinflusst (es ist unmöglich, die Art und Weise zu ändern, in der das Licht vom Modell reflektiert wird, wenn das Licht nicht auf dieses Modell fällt).

Obwohl es klar ist, dass man das Erscheinungsbild von HighPoly durch das Erscheinungsbild von normalen Karten „zählen“ kann, ist es offensichtlich, dass normale Karten keine gewöhnlichen Texturen sind, da sie Informationen nicht über Farben, sondern über Normalen speichern. Dies bedeutet auch, dass normale Karten nicht als normale Texturen betrachtet werden können. Darüber hinaus haben sie, wie wir sehen werden, spezielle Kompressions- und Gammakorrekturparameter.

Sie können die normale Karte als einen Satz von drei Texturen in Graustufen wahrnehmen, die in einem Bild gespeichert sind:


Das erste Bild zeigt dem Motor, wie dieses Modell das rechts einfallende Licht reflektieren soll. Es wird im roten Kanal der normalen Kartentextur gespeichert.

Das zweite Bild zeigt dem Motor, wie das Modell das von unten einfallende Licht reflektieren soll *; Es wird im grünen Kanal der normalen Kartentextur gespeichert.

* In einigen Programmen fällt das Licht nicht von unten, sondern von oben, d. H. Es gibt möglicherweise normale Karten auf der linken und rechten Seite. Wie wir später sehen werden, kann dies einige Probleme verursachen.

Das dritte Bild zeigt dem Motor, wie das Modell das von vorne einfallende Licht reflektieren soll. Es wird im blauen Kanal der normalen Kartentextur gespeichert. Da die meisten Objekte bei Beleuchtung von vorne weiß erscheinen, erscheinen normale Karten normalerweise bläulich.

Wenn wir alle drei Bilder zu einem kombinieren, erhalten wir eine normale Karte. Denken Sie daran, dass diese Erklärung nicht ganz richtig ist, aber ich hoffe, dass Sie damit die in der normalen Karte gespeicherten Informationen besser verstehen und verstehen können, was sie bewirkt.

Um zusammenzufassen:

Normalen sind Vektoren, mit denen bestimmt wird, wie Licht von einer Oberfläche reflektiert wird. Sie können verwendet werden, um den Übergang zwischen Flächen zu steuern (indem die Normalen verbundener Scheitelpunkte gemittelt werden, um einen glatten Übergang zu erstellen, oder um sie zu trennen, um einen starren Übergang zu erstellen). Sie können jedoch auch ihre Richtung ändern, sodass das Lowpoly-Modell das Licht auf dieselbe Weise wie ein komplexeres Modell reflektiert.

Diese Informationen werden in drei separaten Bildkanälen gespeichert, und ein 3D-Editor liest sie, um zu verstehen, in welche Richtung die Oberfläche des Modells aussehen soll.

Im nächsten Artikel der Serie wird erläutert, wie diese Teile vom High-Poly-Modell in Low-Poly-Teile gebacken werden.