MAYA中法線貼圖的應(yīng)用的綜述

最近搜集了不少資料和試驗(yàn)，打算把maya中法線貼圖（normal map）的相關(guān)信息綜合一下并且心思一下思路。慢慢來！：）

法線貼圖（normal map）是一種較新的貼圖技術(shù)，類似于bump map，通過對模型表面的法線的矯正來用以表現(xiàn)模型的細(xì)節(jié)與紋理，其效果比后者要好，能達(dá)到bump map所達(dá)不到的效果，但是其并不能真正的在模型表面產(chǎn)生細(xì)節(jié)，相對于displacement map而言，又不如其滿意。而且其制作和應(yīng)用很麻煩，問題也很多，所以這種技術(shù)cg中并不常用，不過，在游戲中卻有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展空間。其他不多說了，先來看個(gè)圖：

為什么同一個(gè)模型（10*10段的多邊形球體）會出來兩種效果，我使用了soften/harden edge命令來柔化了右邊的模型邊，這樣看起來就圓滑了很多！

我現(xiàn)在打開了custom polygon display options，顯示出來法線來看看區(qū)別：

模型的法線有兩種：點(diǎn)法線和面法線。面法線是在面中心發(fā)出，表示面的方向；而點(diǎn)法線是從點(diǎn)發(fā)出的，取決于點(diǎn)周圍的面的方向，左右模型的區(qū)別說明了soften/harden edge命令工作原理。同時(shí)也normal map的基礎(chǔ)。（其實(shí)還有一種：uv coodinate normal。但maya中似乎沒有這個(gè)概念，這個(gè)東東是在normal map應(yīng)用中許多問題產(chǎn)生的根源，這里暫不講述）

下面我們開始。建立一個(gè)polygon球體，參數(shù)如下。

然后再復(fù)制出一個(gè)隱藏。

對這個(gè)球體平滑2次后，用雕刻工具作出一些細(xì)節(jié)。

打開hypershade，賦予這個(gè)球一個(gè)新的lambert材質(zhì)。

再建立一個(gè)sampleinfo和setrange節(jié)點(diǎn)，作如下連接：

這樣我們把這個(gè)球的法線與攝象機(jī)信息輸入，將其輸出到物體材質(zhì)的color上，這里我的材質(zhì)選擇了surfaceshader，這并不重要。只是為了方便觀察效果。

調(diào)節(jié)參數(shù)：我們將法線變量轉(zhuǎn)化為顏色值，需要重新定義取值區(qū)間，由[-1，1]轉(zhuǎn)化為[0，1]。

顏色改變，但是你會發(fā)現(xiàn)硬件顯示的顏色與渲染的顏色不一樣！

這可是個(gè)問題的關(guān)鍵！而且不管你如何移動或旋轉(zhuǎn)攝象機(jī)和模型，物體的顏色分布都不變化，上面是綠色，左邊藍(lán)，右邊紅。這可不是我們想要的。

這個(gè)問題的原因是因?yàn)閟ampleinfo輸出的法線信息是基于攝象機(jī)的，所以與攝象機(jī)關(guān)聯(lián)，而并非物體本身，這樣我們后面的得到的也是不能用的法線信息。

為了解決這個(gè)問題，我們斷開samlpeinfo和setrange之間的聯(lián)系，新建一個(gè)vector product節(jié)點(diǎn)，如下連接。

將透視攝象機(jī)的節(jié)點(diǎn)拖進(jìn)，輸入其世界矩陣信息到vector product節(jié)點(diǎn)，運(yùn)算方式為vector matrix product，再將輸出值連接到setrange的

value上。

這樣做是矢量與矩陣運(yùn)算，把攝象機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系，這樣攝象機(jī)的變化不在影響物體的顏色分布了，但是如果我們轉(zhuǎn)動物體，問題仍然出現(xiàn)。所以要把物體的變化的信息也要加進(jìn)去，將世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為物體坐標(biāo)系。

如果將此時(shí)的顏色轉(zhuǎn)換為貼圖，我們就叫它world-space normal map。（后面在介紹這些分類）

如圖再加入如下類似的節(jié)點(diǎn)，注意這次選擇的是world inverse matrix。

圖中colorball就是這個(gè)球體的模型節(jié)點(diǎn)，你可以在outliner中找到它，拖到hypershade里。

maya建模教程:maya中法線貼圖的應(yīng)用的綜述

編輯：  來源：   發(fā)布時(shí)間：2010-07-27

這樣，我們看到顏色顯示與渲染的一致了，以渲染出來的為準(zhǔn)，這樣移動攝象機(jī)或物體，顏色分布就正確的象貼在物體上一樣。

選中球體和其材質(zhì)，使用convert to file texture options將顏色轉(zhuǎn)化為貼圖，參數(shù)如下，分辨率和自行設(shè)置。

此時(shí)生成的貼圖，顏色以紅，綠，藍(lán)分布類似彩虹，就叫做

object- 或 local-space normal map。這個(gè)與上面的world-space normal map看上去會很類似。

下面看看如何使用這張貼圖

顯示出原來的復(fù)制出的那個(gè)低精度的球體，命名為normalball。賦予一個(gè)材質(zhì)，然后連接。使用這樣的貼圖相當(dāng)于一次逆運(yùn)算。我想不用多說了吧。

看看效果，我這里用的software渲染。

效果還不錯，但是問題總是伴隨著，如果我們保持?jǐn)z象機(jī)不動，旋轉(zhuǎn)物體，你看會怎樣？

細(xì)節(jié)正確，但是光影卻完全錯誤，陰影也象貼圖一樣“粘”在模型上，與燈光的位置毫無關(guān)系了，這可是不允許的！

所以，我們還要把normball的節(jié)點(diǎn)引入，再次逆運(yùn)算。

這樣，模型細(xì)節(jié)和光影都正常了，旋轉(zhuǎn)模型和鏡頭都沒有問題，可以用于構(gòu)建場景了。

但是，這樣就完了嗎？

我們先來看看在hardware渲染和high quality rending渲染結(jié)果。

這是什么玩意的一坨啊？

顯然，在即時(shí)運(yùn)算更新時(shí)顯示是不正常的，這意味著對于游戲的設(shè)計(jì)顯然是不可用的 ，同樣，mentalray渲染也是不行的！

而且后面還有更大的問題存在呢！

按f9進(jìn)入點(diǎn)元素模式，對這個(gè)球隨意進(jìn)行一些變形。

再轉(zhuǎn)回物體模式，渲染看。注意場景中只有一盞燈。

發(fā)現(xiàn)了嗎，光影還是錯誤的，又是這個(gè)討厭的問題！

這就意味著如果要在物體以下的級別變形，比如蒙皮，綁定等，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。

在maya7以后有這樣一組工具：surface sampler（相當(dāng)于maya6中

transfer surface options），這個(gè)工具里面包含了很多有用的工具。

當(dāng)map space選中object space時(shí)，那么transfer in world space

/object space所生成的normal map就相當(dāng)于world-space normal map

和object- 或 local-space normal map。

那么還有個(gè)tangent space是什么呢？

tangent space就是切線坐標(biāo)，即與法線垂直正交的方向，其有個(gè)很重要的特性就是它是針對模型上的每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，而不是整個(gè)物體，這正是我們需要的特性。

這個(gè)工具的用法我以前的帖子里講過的，很簡單的。文件格式常用tif的，有很多優(yōu)勢。

生成的貼圖就是所謂的tangent-space normal map，其明顯不同，顏色是以蘭色為基調(diào)的。這個(gè)應(yīng)該說是比較完美的，不會出現(xiàn)前面的問題。來看看。

maya中沒有直接的normal map的通道，使用麻煩，不象3dmax或lightwave，所以這方面的文章才比較少，不過maya7以后加入了，它是隱藏在

打開high quality rendering，這樣我們終于看到了期望的結(jié)果。

而且各個(gè)角度都正常。

有時(shí)硬件即時(shí)顯示并不能很正確，如果看不到正確結(jié)果，可以用

hardware渲染一下看。

不過遺憾的是，maya中這個(gè)節(jié)點(diǎn)只能被硬件渲染，同樣不支持在software和mentalray渲染。但是也是，本來maya中這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是為了制作游戲而生的，針對的多是游戲中的渲染引擎。

還有人用這樣的方法連接：

這種直接連接的方法可得到同樣的硬件渲染效果，也可以 軟件渲染，但是光影失真；不支持mentalray。最大的問題就是：如果要與其他bump map聯(lián)合使用就會很困難。

繼續(xù)……

至此我們可以先總結(jié)一下，以便有更好的理解和應(yīng)用。

world-space normal map

1. 彩色.

2. 使用后物體不能旋轉(zhuǎn)和以點(diǎn)為基礎(chǔ)的變形，否則材質(zhì)和陰影會亂掉

3. 適用于不動的物體（比如建筑物）.

4. 計(jì)算快

object- or local-space normal map

1. 和world-space normal map一樣，不同的只是針對了部分元素游戲編碼

2. 物體可以旋轉(zhuǎn)，但是不能在物體以下級別變形.

3. 適用于某些簡單機(jī)械運(yùn)動中的元素（門，車輛，機(jī)械等）

4. 計(jì)算較快

tangent-space normal map

1. 以蘭色為基調(diào)

2. 物體可以旋轉(zhuǎn)和變形

3. 適用于變形物體（角色，水面，布料等）

3. 計(jì)算最慢（并不經(jīng)常）.

如果我們要在軟件渲染或mentalray渲染中也應(yīng)用該則呢們辦呢？

一般來說，在maya中或第三方的渲染器渲染normal map，需要建立一定的節(jié)點(diǎn)來模擬，這可不是一件愉快的事情。我這里用maya的節(jié)點(diǎn)軟件渲染，看看效果：

還不錯，但是它的節(jié)點(diǎn)卻是比較復(fù)雜的。這個(gè)節(jié)點(diǎn)來自于headus (metamorphosis) pty ltd。但是原節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)并不適用maya（針對的是zbrush），我將其修改重新連接。

總的來說就是要把攝象機(jī)的normalcamera和tangentu，v的信息都輸出，與normal map輸出的信息進(jìn)行點(diǎn)乘運(yùn)算，連接到物體材質(zhì)的

normalcamera。這樣軟件渲染時(shí)就可以收集到相應(yīng)信息。

如果需要，我在后面共享了這個(gè)節(jié)點(diǎn)，耐心讀完我的帖子，你可以找到它。

適用與任何版本的software渲染，速度較慢，不支持硬件渲染。

但是mentalray就比較麻煩，目前我試驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)如下：

相當(dāng)于在軟件渲染節(jié)點(diǎn)上再與透視攝象機(jī)進(jìn)行矢量矩陣運(yùn)算，輸出到材質(zhì)。

遺憾的是，只支持maya6.5以下的mentalray版本，maya7中的mentalray由于更新了渲染方式和代碼，無效！

你也可以使用jan sandstrom的js_normalmapper的mentalray節(jié)點(diǎn)。但是同樣是不支持maya7。

同時(shí)，在mentalray渲染中可以使用global illumination，但開啟final gather渲染無效！這是由于fg的運(yùn)算方式?jīng)Q定的，目前尚未有辦法解決！

下來我們介紹一下normal map與bump map的聯(lián)合使用。

從本質(zhì)來說，normal map更接近bump map而不是displacement map。

但是也就是說normal map要和bump map合用，是很難發(fā)現(xiàn)區(qū)別的，所以會產(chǎn)生錯覺，在應(yīng)用中較難發(fā)現(xiàn)錯誤，這是在游戲運(yùn)用中比較麻煩的，往往不能及時(shí)更正，導(dǎo)致計(jì)劃拖延。

先來介紹硬件即時(shí)渲染中的合用。

bump map分為bump3d和bump2d，曾經(jīng)有位介紹過了這兩種

bump效果的合用，你可以在以前的帖子里找到。但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果合用的話，其效果只能在軟件渲染中體現(xiàn)，硬件渲染是無效的。這樣normal map和bump map直接采用這種合用，即時(shí)顯示是無法正確的。而我們需要在游戲制作中能即時(shí)瀏覽到。

所以我采用了層紋理（layered texture）來混合。這里用了個(gè)bump3d的節(jié)點(diǎn)。

在層紋理中混合方式選擇over，normal map在上層�？刂破鋋lpha值調(diào)節(jié)凸凹效果（或bump depth）。注意！這樣做會其實(shí)是削弱了normal map的效果，所以alpha不能太低。其實(shí)在后面的setrange節(jié)點(diǎn)的用途是可以輸入表達(dá)式通過與alpha值相關(guān)聯(lián)的矯正削弱現(xiàn)象。

你也可以將bump3d層放在上層混合，你看看會有什么結(jié)果？

即時(shí)顯示的效果出現(xiàn)，但是似乎哪里不對勁。

我前面提到了，這個(gè)區(qū)別是很難看出來，因?yàn)槲覀冇玫腷ump紋理并不是法線貼圖，但是用法是直接連入，但仍有效，是因?yàn)槠涫?d紋理，這點(diǎn)視覺差別是幾乎可以忽略的。

那么實(shí)際的用法該如何呢？

這里我們要用到一個(gè)小插件：transpace（你可以在網(wǎng)上很容易找到）

它的作用是把bump信息轉(zhuǎn)化為tangent normal信息，可以用來

bake normal map。

as color output：確保顏色值區(qū)間。應(yīng)當(dāng)鉤選。

invert y(v)：對于某些ati和某些其他軟件，要反轉(zhuǎn)y（v）方向。選擇鉤選

normalize output：確保法線值區(qū)間。選擇鉤選。

這個(gè)插件可以用我前面的方法模擬，不過很麻煩。

下面是hradware渲染后效果。

bump2d的紋理或文件紋理就比較麻煩了。因?yàn)榇蠖鄶?shù)時(shí)候，他們并不能被正確的硬件顯示！采用與bump3d相同的連接。

解決這個(gè)很簡單，只要把bump紋理轉(zhuǎn)換成一張法線貼圖就可以了，然后混合。

在軟件渲染中就比較容易，和bump嵌套是一樣的，2d和3d紋理都一樣的可以得到滿意的效果。