Нормальное отображение - Normal mapping

Отображение нормалей, используемое для повторной детализации упрощенных сеток. Эта карта нормалей закодирована в пространстве объектов.

В 3D компьютерная графика, нормальное отображение, или Отображение рельефа Dot3, это наложение текстуры техника имитации освещения неровностей и вмятин - реализация рельефное отображение. Он используется для добавления деталей без использования дополнительных полигоны. Обычно этот метод используется для значительного улучшения внешнего вида и деталей низкополигональная модель путем создания карты нормалей из высокополигональной модели или карта высот.

Карты нормалей обычно хранятся как обычные RGB изображения, в которых компоненты RGB соответствуют координатам X, Y и Z, соответственно, нормальная поверхность.

История

В 1978 году Джеймс Блинн описал, как можно возмущать нормали поверхности, чтобы геометрически плоские грани имели детальный вид. [1]Идея извлечения геометрических деталей из высокополигональной модели была представлена ​​в статье Кришнамурти и Левой, Proc. «Подгонка гладких поверхностей к плотным многоугольным сеткам». СИГГРАФ 1996,[2] где этот подход использовался для создания карты смещения над Nurbs. В 1998 году были представлены две статьи с ключевыми идеями для переноса деталей с картами нормалей с высокополигональных сеток на низкополигональные: «Упрощение с сохранением внешнего вида» Коэна и др. СИГГРАФ 1998,[3] и «Общий метод сохранения значений атрибутов на упрощенных сетках» Cignoni et al. IEEE Visualization '98.[4] Первый представил идею хранения нормалей поверхности непосредственно в текстуре, а не смещений, хотя требовал, чтобы модель с низкой детализацией создавалась с помощью определенного алгоритма ограниченного упрощения. Последний представляет более простой подход, который разделяет высокополигональную и низкополигональную сетку и позволяет воссоздать любые атрибуты модели с высокой детализацией (цвет, координаты текстуры, смещения и т. д.) способом, который не зависит от того, как была создана модель с низкой детализацией. Комбинация хранения нормалей в текстуре с более общим процессом создания все еще используется большинством доступных в настоящее время инструментов.

Метод

Пример карты нормалей (в центре) со сценой, из которой она была рассчитана (слева), и результатом применения к плоской поверхности (справа). Эта карта закодирована в касательном пространстве.

Для расчета Ламбертианский (рассеянное) освещение поверхности, блок вектор от точки затенения до источника света пунктирный с единичным вектором, нормальным к этой поверхности, и результатом будет интенсивность света на этой поверхности. Представьте себе полигональную модель сферы - вы можете только приблизительно определить форму поверхности. Используя 3-канальное растровое изображение, текстурированное по всей модели, можно кодировать более подробную информацию вектора нормалей. Каждый канал в растровом изображении соответствует пространственному измерению (X, Y и Z). Это добавляет гораздо больше деталей на поверхность модели, особенно в сочетании с передовыми методами освещения.

Пространства

Пространственные размеры различаются в зависимости от Космос в котором была закодирована карта нормалей. Простая реализация кодирует нормали в объектном пространстве, так что красный, зеленый и синий компоненты напрямую соответствуют координатам X, Y и Z. В объектном пространстве система координат постоянна.

Однако карты нормалей объектного пространства не могут быть легко повторно использованы на нескольких моделях, так как ориентация поверхностей различается. Поскольку карты цветных текстур можно повторно использовать повторно, а карты нормалей обычно соответствуют определенной карте текстуры, для художников желательно, чтобы карты имеют то же свойство.

Карта текстуры (слева). Соответствующее нормальное отображение в касательном пространстве (центр). Карта нормалей, примененная к сфере в пространстве объектов (справа).

Повторное использование карт нормалей стало возможным благодаря кодированию карт в касательное пространство Касательное пространство - это векторное пространство касательная к поверхности модели. Система координат плавно изменяется (на основе производных положения относительно координат текстуры) по поверхности.

Графическое изображение касательное пространство одной точки на сфера.

Карты нормалей касательного пространства можно определить по доминирующему фиолетовому цвету, соответствующему вектору, обращенному прямо с поверхности. ниже.

Расчет касательного пространства

Чтобы найти возмущение в нормали, необходимо правильно вычислить касательное пространство.[5]Чаще всего нормаль нарушается во фрагментном шейдере после применения матриц модели и вида. Обычно геометрия обеспечивает нормаль и касательную. Касательная является частью касательной плоскости и может быть преобразована просто с помощью линейный часть матрицы (верхняя 3x3). Однако нормаль должна быть преобразована обратное транспонирование. Большинству приложений требуется, чтобы котангенс соответствовал преобразованной геометрии (и связанным с ней UV). Таким образом, вместо того, чтобы принуждать котангенс быть перпендикулярным касательной, обычно предпочтительно преобразовывать котангенс точно так же, как тангенс. Позволять т быть касательным, б быть котангенсом, п быть нормальным, M3x3 - линейная часть матрицы модели, и V3x3 быть линейной частью матрицы просмотра.

Рендеринг с отображением нормалей.
Рендеринг с использованием техники отображения нормалей. Слева несколько сплошных сеток. Справа плоская поверхность с картой нормалей, вычисленной из сеток слева.

Отображение нормалей в видеоиграх

Изначально интерактивный рендеринг карты нормалей был возможен только на PixelFlow, а параллельный рендеринг машина построена на Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл.[нужна цитата ] Позже стало возможно выполнять отображение нормалей на high-end SGI рабочие станции, использующие многопроходный рендеринг и кадровый буфер операции[6] или на аппаратном обеспечении ПК низкого уровня с некоторыми трюками с использованием палитры текстур. Однако с появлением шейдеры в персональных компьютерах и игровых приставках отображение нормалей стало широко использоваться в коммерческих видеоиграх, начиная с конца 2003 года. рендеринг в реальном времени Это связано с его хорошим соотношением качества и требований к обработке по сравнению с другими методами получения аналогичных эффектов. Большая часть этой эффективности стала возможной благодаря масштабирование деталей с индексированием по расстоянию, метод, который выборочно уменьшает детализацию карты нормалей данной текстуры (см. mipmapping ), что означает, что для более удаленных поверхностей требуется менее сложное моделирование освещения. Многие конвейеры разработки используют модели с высоким разрешением запеченный в низкое / среднее разрешение в игровых моделях, дополненных картами нормалей.

Базовое отображение нормалей может быть реализовано на любом оборудовании, поддерживающем текстуры с палитрой. Первой игровой консолью со специализированным оборудованием для отображения нормалей была Sega. Dreamcast. Однако Microsoft Xbox была первой консолью, широко использовавшей этот эффект в розничных играх. Из консоли шестого поколения[нужна цитата ], только PlayStation 2 с GPU не имеет встроенной поддержки карт нормалей, хотя ее можно смоделировать с помощью векторных единиц оборудования PlayStation 2. Игры для Xbox 360 и PlayStation 3 в значительной степени полагаются на отображение нормалей и были первым поколением игровых консолей, которые использовали отображение параллакса. В Nintendo 3DS было показано, что поддерживает отображение нормалей, как показано Обитель зла: Откровения и Metal Gear Solid: Пожиратель змей.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Блинн. Моделирование морщинистых поверхностей, Siggraph 1978
  2. ^ Кришнамурти и Левой, Подгонка гладких поверхностей к плотным многоугольным сеткам, SIGGRAPH 1996
  3. ^ Коэн и др., Упрощение с сохранением внешнего вида, SIGGRAPH 1998 (PDF)
  4. ^ Cignoni et al., Общий метод сохранения значений атрибутов на упрощенных сетках, Визуализация IEEE 1998 (PDF)
  5. ^ Миккельсен, Возвращение к моделированию морщинистых поверхностей, 2008 (PDF)
  6. ^ Гейдрих и Зайдель, Реалистичное затенение и освещение с аппаратным ускорением В архиве 2005-01-29 на Wayback Machine, СИГГРАФ 1999 (PDF )

внешняя ссылка