Создание low модели головы человека с картой нормалей от А до Я. Запекаем карту нормалей (normal map) в Substance Painter

Не секрет, что многие свойства материала (блик, отражательная способность и т.д.) напрямую зависят от микрорельефа поверхности. Например, матовый резиновый шарик никогда не будет отражать так как новая елочная игрушка. Если вы хотите создавать внушающие доверие материалы, то без рельефа вам не обойтись.

Есть несколько способов создать/имитировать рельеф в 3dsMax:

1. Моделирование
2. Bump maps
3. Diffuse maps
4. Normal maps
5. Displacement

Рассмотрим их все по порядку, случаи их применения, плюсы и минусы:

1. Моделирование

Первый и самый очевидный способ – это моделирование. В результате чего вы получаете «честный» рельеф, без каких либо проблем в дальнейшей визуализации. Реальная геометрия объекта при должной детализации хорошо смотрится при любых масштабах и ракурсах.

Несомненные плюсы реальной геометрии: корректный абрис объекта (Рис.1.B). и корректная тень (Рис.1.С). Создание рельефа с помощью моделирования является предпочтительным способом с точки зрения получения качественного продукта на выходе. Однако же при достаточной детализации возрастает и количество полигонов в модели, что значительно увеличивает время просчета изображения. Поэтому часто используют альтернативные способы.

2. Bump maps

Можно создать нехитрую черно-белую карту (растровую или процедурную) описывающую неровности материала – чем светлее участок карты, тем «выше» точка рельефа и наоборот. Bump-карты не изменяют геометрии вашего объекта, а лишь управляют отражением света от его поверхности, в результате чего создается иллюзия, что материал имеет неровности (Рис.2.А). Поэтому часто такой рельеф называют псевдорельефом.

Разумеется, с применением карты абрис объекта не меняется (Рис.2.В) (и характер тени, конечно). Следовательно применять Bump лучше на моделях среднего плана. Поэтому же не следует иммитировать bump-картами слишком большие перепады рельефа (это лучше предоставить реальной геометрии). Сцены с картами Bump визуализируются значительно быстрее, чем с реальной геометрией.

Bump-карты могут существенно изменить внешний вид материала, а значит и сделать его интереснее. На Рис.3 все материалы созданы с использованием bump-карт.

Необязательно использовать только рисованные (или фотографические) Bump-карты. Вполне неплохих результатов можно добиться комбинируя стандартные процедурные карты доступные в 3ds Max - Рис.4.

Для создания карты рельефа этого металлического шара использовались четыре процедурных карты: Noise (Шум), Speckle (Крапчатый), Splat (Брызги), Dent (Вмятины).

3. Diffuse maps (Диффузные карты)

Взгляните на рисунок Рис.5. Между изображениями A и B почти не видно разницы. Тем не менее на рисунке Рис.5.А изображен материал только с диффузной картой (непосредственная окраска поверхности), на рисунке Рис.5.B к диффузной карте добавляется Bump-карта для формирования микрорельефа.

В трехмерных сценах часто случается такое (особенно это характерно для ровных гладких протяженных поверхностей), что для имитации свойств поверхности достаточно одной диффузной карты, с нарисованными характеристиками рельефа (трещины, вмятины, царапины и т.п.). Особенно это актуально для дальних планов, а при некоторых ракурсах даже для средних.

Однако для криволинейных поверхностей (особенно, если они отражают) bump-карты усиливают свою роль в формировании материала. На Рис.6.В. действие bump-карты очень заметно, а значит применение ее оправдано.

4. Normal maps (Карты нормалей)

В своей физике карты нормалей сходны с bump-картами. Отличие состоит в том, что карты Bump строятся на основе двух измерений (по шкале от черного до белого), а Normal во всех трех. Поэтому карты нормалей выглядят немного необычно (Рис.7).

Карты нормалей очень активно используются в играх, так как позволяют существенно сократить количество полигонов, почти не потеряв в детализации модели. На Рис.8.А изображена низкополигональная (!) модель (700 полигонов), на Рис.8.В карта нормалей соответственно.

Первоначальная высокополигональная модель (со всеми узорами и орнаментами) этого сундука содержала почти 2 миллиона полигонов. Понятно, что такой «тяжелый» сундук использовать в игре было бы просто невозможно.

Карты нормалей не очень требовательны к ресурсам, благодаря современным видеокартам.

5. Displacement (Смещение геометрии)

Displacement является некоторым симбиозом реальной геометрии и имитации рельефа с помощью карт. С одной стороны, мы не моделируем вручную рельеф поверхности, а используем карту. С другой стороны мы имеем на выходе реальную геометрию, а не имитацию.

Для Displacement используют черно-белые карты высот (точно такие же как и для Bump).

Displacement целесообразно использовать там, где при ручном моделировании вы потеряете очень много времени в виду сложности сетки. Задачи, которые можно решить с помощью Displacement чрезвычайно широки: горы, протекторы автомобильных шин, сложные фактуры пола и даже трава и махровое полотенце. И конечно многое другое.

Благодаря реальной геометрии на выходе и корректному абрису объекта, Displacement можно использовать при любых ракурсах и на любых планах. Следует отметить, что расчет карт смещения довольно сильно нагружает процессор компьютера. Чем больше карта Displacement, тем точнее детали геометрии на выходе, но и тем больше время визуализации.

Что же выбрать? Боюсь, что дать однозначный ответ здесь невозможно. Для каждой задачи вам понадобится свой способ формирования рельефа. И возможно, что в одной сцене вы используете и bump, и displacement, и normal; что-то сделаете реальной геометрией, а какая-то модель останется довольствоваться диффузной картой.

Как использовать карты микрорельефа в 3ds Max?

Если с честным моделированием все более-менее понятно, то как поступить с картами Bump, Diffuse, Normal, Displacement ? Как заставить их работать?

Почти все карты (процедурные и растровые) в 3ds Max помещаются в специальные слоты (каналы). Слоты для материалов можно найти в Map Editor (Редактор материалов – горячая клавиша M) на свитке Maps (Карты) – Рис.10.

В зависимости от того, с каким типом материала мы в данный момент работаем, список карт будет меняться. На Рис.10 мы можем видеть карты для материала типа VrayMtl (материал используется с визуализатором Vray). Левый столбик свитка содержит названия карт. Самые часто используемые карты:

• Diffuse (Диффузная – непосредственная окраска объекта, его фактура)
• Reflect (Отражение – сила отражательной способности материала)
• Refract (Преломление – насколько сильно материал преломляет свет)
• Glossiness (Глянцевитость – сила размытия блика на поверхности)
• Bump (Микрорельеф – карта неровностей поверхности)
• Opacity (Непрозрачность – управляет прозрачностью объекта)

Правее названий карт располагается столбик с окнами-счетчиками, где можно указать силу действия карты на выбранный параметр. Большинство карт используют значения от 0 до 100, но встречаются исключения, например Bump позволяет задавать числа от -1000 до 1000. Галочка после окна-счетчика позволяет включить/исключить действие карты на материал.

Если в слоте не указана какая-либо карта, то слот содержит надпись None (Пусто). Если карта добавлена, то слот меняет свое название на имя карты – Рис.11.

Добавить карту можно, щелкнув по слоту левой кнопкой мыши и в открывшемся списке выбрав требуемую, нажать ОК. Если карта выбирается растровая (Bitmap ), то после необходимо указать в диалоговом окне путь к растровому файлу. Удалить карту из слота не сложнее – правая кнопка мыши по слоту, выбрать в контекстном меню команду Clear (Очистить) или Cut (Вырезать), в последнем случае карта при удалении будет помещена в буфер.

Итак по порядку.

Карты Bump следует добавлять в одноименный слот Bump по вышеуказанному алгоритму. Если вы используете растровую карту, то проверьте, все ли в порядке с , в противном случае карта просто не ляжет на объект корректно, появятся растяжения или, что еще хуже, разрывы.

С диффузной картой дело обстоит точно также как с картой Bump . Только слот следует использовать Diffuse . Это по сути самое простое текстурирование объекта – просто окрашивание его в какой-то рисунок.

Карты нормалей помещаются в слот Bump, но в списке тип карты следует выбрать Normal Bump (даже если карта у вас растровая), после в настройках самой карты Normal Bump указать непосредственно карту, отвечающую за микрорельеф – Рис.12. Получится некоторая вложенность «карта в карте».

Карты Displacement нужно помещать в слот Displace. Следует учитывать, что чем большее разрешение имеет карта, тем качественнее произойдет смещение геометрии, но тем больше будет время визуализации. Иногда большие карты просто «подвешивают» компьютер. Displacement - очень затратная по расчетным ресурсам технология.

Также можно поместить карту в слот модификатора VrayDisplacementMod, предварительно назначив последний на ваш объект. Актуально, только, если вы используете визуализатор Vray.

Где найти карты?

Карты Diffuse – это фотографии, рисунки или коллажи из того и другого. Bump и Displace в большинстве случаев представляют собой обесцвеченные (использовать цветные изображения бессмысленно) и скорректированные аналоги диффузных карт. Карты нормалей можно получить с помощью плагинов также из обычных рисунков или фотографий. Но если у вас под рукой есть высокополигональная копия объекта, то имеет смысл «снять» Normal Map с high-poly модели и спроецировать на low-poly, но это тема отдельного урока.

Помните, что во всех случаях вы можете пользоваться и процедурными картами. Процедурные карты имеют гибкие настройки, не имеют ограничений по разрешению, так как генерируются «на лету».

» Раздел: Моделлинг

Пролог

В этом небольшом пособии я распишу шаг за шагом несложную процедуру слияния базовой текстуры с так называемой картой нормалей (normal map). О том, для чего это нужно, чуть ниже. Несмотря на очевидность процесса для тех, кто уже знает эту фишку, многие не в курсе. Лично я дошёл до этого сам спустя пару лет после того как начал конвертировать в Warcraft 3 модели из игр, поддерживающих normalmapping, что я вляется некоторым упущением.

» Что такое Normal Map?

Вот, что написано о карте нормалей на Polycount Wiki:
Карта нормалей используется, как правило, для имитации детализированной high-res геометрии путём наложения на low-res модель. Каждый пиксель карты нормальней содержит данные о нормали - вектора, описывающего форму поверхности оригинальной high-res сетки в данной точке. Красный, зелёный и синие каналы карты нормалей используются для обозначения направления нормали каждого пиксела. (Авторский перевод)

Думаю, все плюшки технологии normal mapping"а вполне очевидны, поэтому большинство современных 3D игр закономерно используют её. Выражается это в том, что каждая текстура из таких игр обладает своим дублёром, который и содержит информацию о нормалях. Многие неопытные моделлеры просто игнорируют её при конвертации моделей и текстур, полагая, что она совершенно бесполезна для игр, не поддерживающих данную технологию (например, Warcraft3 или World of Warcraft). И совершенно напрасно.
А всё дело в том, что текстуры, которые рисуются для игр с реалистичным освещением, намеренно делают как можно менее контрастными, оставляя минимум теней - ведь в противном случае, нарисованные тени будут конфликтовать с реальными тенями от освещения. Поэтому для передачи фактуры используется карта нормалей, а базовые текстуры порой выглядят почти пустыми.
Таким образом, наша задача - "слить" базовую текстуру с картой нормалей, чтобы на ней проявились тени. Всё, что для этого нужно - это Photoshop и прямые руки (тм)

Шаг за шагом

Наиболее требовательными к карте нормалей всегда были фактурные поверхности, например камень и дерево. Я остановил свой выбор на текстуре камне из пака Top-Down Fantasy. Поскольку текстуры там в формате tif, мне не понадобилось никакого стороннего софта, чтобы открыть их в Photoshop.

Шаг 1

Итак, слева - базовая текстура (выглядит довольно невзрачно, не правда ли?). Справа - карта нормалей. Как правило, она имеет то же название, что и базовая текстура, но с припиской _n или _nmp (что значит normal map), в то время как у оригинала часто бывает приписка _diff (что значит diffuse). Открываем оба файла.

Шаг 2

Чтобы сохранить цветовую гамму оригинала, нам надо сначала обесцветить карту нормалей. Изображение -> Коррекция -> Обесцветить. Должен заметить, это далеко не единственный способ обесцвечивания картинки, и как утверждают опытные фотографы - не самый верный, но поскольку мы работаем с текстурой, а не пытаемся имитировать чёрно-белую фотографию, этот однокнопочный способ нас вполне устроит. После обесцвечивания карта нормалей становится похожа на проекцию гипсового слепка, что и нам и требуется.

Шаг 3

Цепляем "гипсовую" текстуру и бесцеремонно перетаскиваем в окно к базовой текстуре. Там у нас создаётся новый слой, закрывающий собой фон. Окно с картой нормалей теперь можно закрыть, оно нам больше не понадобится. У получившегося бутерброда выбираем верхний, "гипсовый" слой, и открываем его параметры наложения, дважды кликнув мышкой по миниатюре или вызвав меню правым кликом и выбрав соответствующий пункт из свитка. Режим наложения по умолчанию стоит "Нормальный".

Шаг 4

Открываем свиток, и нам выпадает немалый выбор из вариантов наложения. Любопытства ради, можете попробовать различные режимы. Я эмпирическим путём пришёл к режиму "Перекрытие", как наиболее подходящему нашей задаче.

Шаг 5

Нажав окей, мы видим, что базовая текстура, слившись с "гипсовой", стала куда больше похожа на настоящий камень, чем на на жёлто-коричневую кляксу. Однако оставить текстуру на этой стадии было бы халтурой, т.к. перкрывшись практически белой картой нормалей, текстуры выглядит светлее, чем должна. Чтобы убавить яркость, сначала объединяем слои в один , затем заходим в Изображение -> Коррекция -> Цветовой тон/Насыщенность.

Шаг 6

В появившемся окне нам нужен параметр "Яркость". Дальше - момент достаточно интуитивный, я делал примерно, на глаз, поэтому ваши значения могут отличаться в зависимости от глазомера - слегка убавляем яркость, двинув ползунок влево, чтобы вернуть тон текстуры к тому, каким он был в оригинале. По идее, -20 должно хватить. В любом случае, советую выбрать чёткое, круглое значение, чтобы легко запомнить и использовать его в остальных текстурах, не подбирая тон каждый раз на глаз.

Карта нормалей спасает в ситуации, когда нам нужна модель с малым количеством полигонов, но с хорошей детализацией. Наложив карту нормалей на lowpoly (низкополигональную) модель, мы увидим результат только на рендере. Такой способ применяется в создании игр, когда каждый лишний полигон требует большей производительности компьютера, а просчёт карты нормалей требует значительно меньше ресурсов ПК.

Изначально у нас есть HighPoly модель Box001 (с большим количеством полигонов). У нас стоит задача сделать LowPoly модель, которая будет повторять основные формы заданной модели.

В данном случае хватит всего 14 полигонов что бы сделать основу (Box002 ) для наложения карты нормалей с Box001 .

Настройка визуализации карты нормалей

Выделив Box002, нажимаем на вкладку Rendering/RenderToTexture (горячая клавиша «0»).

Перед нами открылось окно Render To Texture. В параметрах Projection Mapping ставим галочку напротив Enabled , нажимаем Pick… , выделяем HighPoly модель и кликаем Add .

Вокруг объекта появился контейнер проецирования, который надо подогнать так, чтобы в него поместилась вся HighPoly модель. Для этого переходим на вкладку Modify/ Projection/ Cage , нажимаем Reset , если контейнер был автоматически создан с искаженной формой, и изменяем параметры Amount и Percent , увеличивая контейнер до нужного размера.

В окне Render To Texture , в параметрах Output нажимаем Add… Если вы рендерите с помощью Vray , то выберите Vray Normals Map и нажмите Add Elements . Если используете стандартный рендер, то выберите Normals Map.

Есть возможность изменить имя карты (Name ), путь для сохранения карты нормалей (File Name and Type ), тип слота материала (Target Map Slot ), а также размер карты (Width/Height ).

Нажимаем Render и видим результат.

P.S.: Карта нормалей сохраняется автоматически. Стандартный путь сохранения: C:\Users\Документы\3dsMax\sceneassets\images.

Применение карты нормалей к LowPoly модели

Выделяем ранее созданную LowPoly модель.

На панели Modify выбираем модификатор Automatic Flatten UVs, который был создан автоматически в процессе создания карты нормалей. Нажимаем кнопку Open UV Editor… В открывшемся окне выбираем File/SaveUVs… , и сохраняем развёртку.

Открываем редактор материалов MaterialEditor (горячая клавиша М ), создаём материал VRayMtl . В слот Bump выбираем карту Normal Bump .

Заходим в параметры карты Normal Bump. В слот Normal выбираем карту Bitmap , и открываем ранее созданную карту нормалей. Применяем созданный материал к LowPoly модели.

На панели Modify добавляем модификатор Unwrap UVW . Нажимаем кнопку Open UV Editor… В открывшемся окне выбираем File/LoadUVs… и загружаем сохранённую развёртку.

В окне Edit UVWs, в правом верхнем углу, открываем свиток текстур и выбираем созданную нами карту нормалей.

Запустив Render, мы увидим, что LowPoly модель имеет те же детали, что и HighPoly . Детали можно сделать более или менее выраженными, меняя значения параметра Bump в используемом материале.

В статье мы подробно рассмотрим отличия карт bump от normal и displacement.

Вы столкнулись с трудностями при назначении карты bump на 3D-объект? Не переживайте! Многие 3D-художники, которые только начали изучать с 3D-текстурирование, испытывают сложности в этой области, не зная, какой тип карт выбрать: bump, normal и displacement.

Все три типа карт создают дополнительную детализацию на поверхности геометрии. Некоторые из этих деталей «настоящие», другие нет. Итак, попытаемся разобраться, в чем же заключается разница между картами bump, normal и displacement.

Что такое карты bump

Карты bump являются одним из старейших типов карт. И первое, что нужно понять - это то, что bump создает фейковую детализацию. И это правда, поскольку карты bump создают иллюзию глубины на поверхности модели с помощью трюка со светом. Никакой дополнительной детализации при этом не добавляется.

Обычно, карты bump - это черно-белые 8-битные изображения. И это только 256 цветов черного, серого или белого. С помощью этих значений карты bump сообщают 3D-редактору всего 2 вещи: деформировать геометрию вверх или вниз.

Когда значения карты bump близки к 50% серого, с поверхностью геометрии практически ничего не происходит. Когда изображение ярче, ближе к белому, детали выдавливаются на поверхности геометрии. Если изображение более темное, ближе к черному, детали вдавливаются в поверхность геометрии.

Карты bump отлично подходят для создания на поверхности модели мелкой детализации, например, пор или морщин на коже. Кроме того, их сравнительно легко создать в таком 2D-редакторе, как Photoshop, помня при этом, что работать нужно только с черно-белыми цветами.

Минус же карт bump заключается в том, что детализации, созданной с их помощью, можно достаточно быстро лишиться, если посмотреть на объект с неверного ракурса. Кроме того, при использовании карт bump силуэт модели остается неизменным, поскольку они создают фейковую, а не реальную детализацию.

Что такое карты normal

Карты нормалей или normal-карты - это улучшенные карты bump. Normal-карты, как и карты bump, создают фейковую детализацию, не добавляя дополнительных деталей геометрии в сцене. В результате, карты нормалей создают на поверхности модели иллюзию детализации, но эта детализация в корне отличается от той, которую создают карты bump.

Как мы уже знаем, карты bump используют черно-белые цвета, чтобы вдавливать или выдавливать поверхность геометрии. Normal-карты работают с RGB-информацией, которая точно отвечает X, Y и Z значениям в 3D-сцене. Эта RGB-информация сообщает 3D-редактору точное направление нормалей каждого полигона поверхности. Ориентация нормалей поверхности, которые часто называются просто нормалями, сообщает 3D- редактору, в какой цвет окрасить тот или иной полигон.

Normal-карты бывают двух типов и выглядят совершенно по-разному в 2D-пространстве.

Наиболее распространенным типом карт нормалей являются normal-карты типа tangent space, которые зачастую сочетают в себе лиловый и синий цвета. Этот тип карт нормалей лучше всего подходит для мешей, которые должны деформироваться при анимации. Normal-карты типа tangent space идеально подходят для персонажей. Для объектов, которые статичны и не испытывают деформаций, больше подходят карты нормалей типа object space. Эти карты окрашены в различные цвета и просчитываются немного быстрее normal-карт типа tangent space.

При использовании карт нормалей нужно понимать несколько моментов. В отличие от bump’а эти карты сложнее создать в 2D-редакторе типа Photoshop. Запекаются normal-карты с хайпольного меша на лоупольный. Однако, есть несколько путей их редактирования. Например, возможность редактирования карт нормалей представлена в MARI.

Кроме того, normal-карты лучше других вписываются в большинство пайплайнов. Но в отличие от карт bump в этом правиле есть исключение. И касается оно мобильного геймдева, поскольку аппаратные средства начали «понимать» карты нормалей сравнительно недавно.

Что такое карты displacement

Когда же дело доходит до создания дополнительной детализации для лоупольных мешей в игру вступают карты displacement, которые способны творить чудеса. Карты displacement создают физическую детализацию меша, на который они назначаются. Для создания displacement’а меш необходимо подразделить несколько раз или тесселировать, чтобы разрешения хватило для создания реальной геометрии.

Карты displacement выгодно отличает то, что их можно запечь с хайпольного меша или нарисовать вручную. Карты displacement, как и карты bump, работают с черно-белыми значениями цветов. При этом с легкостью можно использовать и 8-битные карты displacement, но лучший результат можно получить с помощью 16- или 32-битных карт displacement. И, хотя, 8-битные карты displacement лучше выглядят в 2D-пространстве, в на рендере они могут вызвать странные артефакты и пр. из-за недостаточной информации.

А вот что касается времени просчета, то тут все далеко не так круто. Создание дополнительной детализации в режиме реального времени достаточно трудоемкий процесс, с которым 3D-редактор справится не быстро. Кроме того, большинство 3D-редакторов просчитывают displacement уже на рендере. По сравнению с картами bump и normal карты displacement могут серьезно сказаться на времени рендера.

Ничто не справится с детализацией так, как это сделают карты displacement. И, поскольку поверхность геометрии изменяется на самом деле, это отражается и на силуэте модели. Но при этом всегда нужно оценивать реальную необходимость, а также преимущества использования карт displacement.

Одновременное использование всех карт

В некоторых случаях для одного и того же объекта можно использовать карту bump или normal в сочетании с displacement. При этом карту displacement лучше всего использовать для значительных изменений геометрии, а карты bump и normal для добавления мелких деталей.