Что такое рельефное текстурирование normal mapping
Особенности моделирования света: Рельефное текстурирование (Bump mapping)
Рельефное текстурирование основывается на технике выполнения затенения по Фонгу, поэтому, если вы не прочитали предыдущие разделы, предлагаю сделать это прямо сейчас.
Рельефное текстурирование очень напоминает обычный процесс наложения («натягивания») текстуры на полигон. Только при обычном наложении текстуры мы работаем со цветом и изменяем его цветовое восприятие, а вот при рельефном текстурировании мы добавляем ощущение рельефа, объемности плоскому полигону. Эта техника может добавить детализацию сцене без создания дополнительных полигонов. Заметьте, что полигон по-прежнему остается плоским, но создается ощущение его выпуклости (рельефности).
А как оно действует?
Посмотрите на рисунок. С расстояния единственный способ определить, что изображение отображает рельефную поверхность, — это проанализировать изменения яркости отдельных участков изображения. Наш мозг делает это автоматически, незаметно для нас. В результате мы четко определяем, что будет выпуклостью, что впадиной.
Очень похоже на выдавливание (чеканку). Но, по сути, единственное, что было сделано для придания объемности плоскому изображению, — это правильное наложение ярких и темных участков. Остальное делает наш мозг.
Но как определить, какие биты изображения делать яркими, и наоборот. Очень просто. Большинство людей в течение своей жизни продолжительно находятся в условиях, когда свет исходит сверху. Таким образом, человек привык, что большинство поверхностей сверху ярко освещены, а снизу, наоборот, находятся в тени и будут темнее. Таким образом, если глаз воспринимает светлые и темные области на объекте, то человек воспринимает их как рельеф.
Нужны еще доказательства? Посмотрите на тот же рисунок, только развернутый на 180 градусов. Он стал похож на полную противоположность предыдущему. То, что раньше казалось выпуклым, стало вогнутым, и наоборот. А ведь это то же самое изображение.
Тем не менее, наш мозг все же не настолько глуп :). Если вы сможете заставить себя подумать, что свет исходит снизу, мозг воспроизведет информацию так же, как на первом изображении. Попробуйте!
Что такое рельефная карта (текстура)?
Рельефная карта (текстура) — это обычная текстура, только в отличие от первой, несущей информацию о цвете определенных участков, рельефная карта несет информацию о неровностях. Самый распространенный способ представить неровности — это применить карту высот. Карта высот — это текстура в оттенках серого, где яркость каждого пикселя представляет, насколько он выдается из базовой поверхности. (См. рисунок справа). Очень простой и удобный метод. Его легко реализовать.
Даже в псевдотрехмерных играх и приложениях, ввиду своей простоты, этот метод используется очень широко. Например, игра SimSity3000. Рельеф местности там задается bitmap текстурой с градацией яркости от 0 до 255. Где 50 соответствует нулевому уровню земли.0 — самым глубоким частям рек и озер, а 255 — будут означать вершины самых высоких гор. Bump maps очень широко используются разработчиками во многих пакетах работы с графикой и трех-мерными объектами.
Но это просто отступление, показывающее диапазон применения bump maps.
Используя карту высот, вы сможете имитировать неровности практически любой поверхности: дерево, камень, шелушащуюся краску и т.д. Конечно, у всего есть свои пределы. Используя bump mapping, вы не сможете имитировать крупные впадины и возвышенности, но вот для имитации неровностей и шероховатостей на поверхности этот метод подходит идеально.
Как реализовать?
По сути, это логическое продолжение техники просчета Phong shading. При использовании Phong shading мы интерполировали нормаль к поверхности по всему полигону, и этот вектор использовался для дальнейшего определения яркости соответствующего пикселя (См. главу, посвященную затенению по Фонгу). Реализуя bump mapping, мы немного меняем направление вектора нормали, основываясь на информации, содержащейся в карте высот. Изменяя положение вектора нормали в конкретной точке полигона, мы, соответственно, меняем яркость текущего пикселя (помните, закон косинуса из теории света :)) Все очень просто!
Для того, чтобы этого достичь, существует несколько путей. Давайте рассмотрим один из возможных способов.
Для начала нам нужен способ для преобразования информации о высоте неровностей на карте высот в информацию о величине подстройки вектора нормали. Это, собственно говоря, несложно, но немного тяжело для объяснения. Все же постарайтесь понять.
Сначала нам нужно преобразовать высоты с карты (bump map) в маленькие векторы, по одному на каждый пиксель. Посмотрите на увеличенный рисунок слева. Более светлые квадраты соответствуют более выпуклым участкам. Понятно. Теперь, для каждого пикселя (на нашем рисунке квадрат соответствует пикселю) мы должны рассчитать вектор, указывающий нам направление уклона поверхности. Рисунок справа демонстрирует нам это. Маленькие красные векторы указывают на уменьшение высоты. Для определения этих векторов, мы определим величину градиента для каждого пикселя:
- x_gradient = pixel(x-1, y) — pixel(x+1, y) y_gradient = pixel(x, y-1) — pixel(x, y+1),
где х и y — координаты соответствующего пикселя
Теперь, имея в руках значения градиентов, мы сможем подкорректировать вектор нормали в соответствующем пикселе.
Слева — полигон с изначальным вектором нормали, обозначенным n. Также показаны два вектора, которые будут использованы для изменения положения (направления) нормали к пикселю под ним. Оба вектора должны располагаться параллельно осям
координат применяемой карты высот.
Справа показаны карта высот и полигон. На обоих рисунках показаны направления U и V осей координат карты (текстуры) высот.
Пересчитать новый вектор нормали легко:
New_Normal = Normal + (U * x_gradient) + (V * y_gradient)
Получив новый вектор нормали, мы может просчитать яркость данного пикселя, используя ранее изученную технологию затенения по Фонгу.
Выполнение быстрого рельефного текстурирования
(Fast Bump mapping)
Выше вы узнали, что при рельефном текстурировании производится изменение вектора нормали к поверхности на площади всего полигона в соответствии с картой высот. Вы так же помните, что для ускорения просчета затенения по Фонгу мы применили способ с заранее просчитанной Phong map, которая представляет собой набор яркостей для всех возможных нормалей на полигоне. Таким образом, не надо быть гением, чтобы предположить, что быстро выполняемым вариантом рельефного текстурирования будет просчет смещений к карте затенения по Фонгу. Результирующей яркостью пикселя будет сумма значений, полученных с карты затенения и рельефной карты. Используя этот подход, мы одновременно будем производить затенение по Фонгу с учетом рельефности рисунка.
Тотальное 3D. Технологии рельефного текстурирования
Компьютерная графика непрерывно развивается. Еще десять лет назад люди с замиранием сердца произносили магическое «3Dfx Voodoo», «затенение по Гуро», «сглаживание текстур». Тогда это были сверхсовременные технологии. Сегодня мы с тем же восторгом говорим «DirectX 10», «HDR», «шейдерная модель». Именно эти понятия ассоциируются с технологиями завтрашнего дня.
Быстрее всего среди современных 3D-технологий развивается направление, обеспечивающее максимальный объем картинки на экране, — это так называемое рельефное текстурирование. К сожалению, большинство геймеров либо вообще не представляют, что это такое, либо представляют, но очень-очень условно. Сегодня мы детально рассмотрим такие понятия, как Bump Mapping, Normal Mapping и Parallax Mapping, а также поговорим о технологии Displacement Mapping, про которую зачастую не знают даже разработчики компьютерных игр.
Предыстория
Первым трехмерным играм (речь именно о полигональных движках, а не о псевдотрехмерной пиксельной графике) катастрофически не хватало производительности центрального и графического процессоров. Кремниевые кони прошлого рвали узду, закусывали удила, но не могли нормально справиться с просчетом трехмерных сцен в режиме реального времени. Стоит ли говорить, что виртуальные миры хоть и были полностью трехмерными, но детализацией не отличались.
Разработчики, может, и рады были бы состряпать из полигонов трехмерные гайки, картины на стены, люстры и факелы, но вот только куда до таких излишеств, когда процессор и с проработкой основной геометрии не справляется? А ведь глубина пространства, его объем, во многом зависят именно от мелочей. Поступали просто: все мелкие элементы — тени, блики, шероховатости, износ и повреждения — рисовали кисточкой на текстурах. Получалось, конечно, плоско, но хоть как-то. Как говорится, не до жиру — быть бы хоть чуть-чуть объемным.
Но железная индустрия развивалась, мощности процессоров росли, компьютерные игры на месте тоже не стояли. Как только заветные мегагерцы выросли до приемлемых величин, а в системных блоках большинства геймеров поселились трехмерные ускорители, разработчики начали задумываться: с чего это вдруг особенности поверхности намертво зашиты в текстуру? Ведь металл, камень, пластик, да и любая другая поверхность в зависимости от освещения выглядят по-разному. Грязь, например, плохо отражает падающий свет, а потертости, наоборот, лучше. А ведь есть еще и тени, которые пока просчитываются самым примитивным образом.
И были придуманы шейдеры — процедуры, определяющие способ визуализации поверхности объекта в зависимости от различных входных данных. Свет, маски прозрачности (задающие области применения шейдеров), карты отражения и карты рельефа — подо все были созданы свои шейдеры. Особое внимание разработчики стали уделять именно картам рельефа. Ведь раньше тень на текстуре зачастую рисовали кисточкой. А что это за тень, если она не меняет своего положения в зависимости от источника света? Карта рельефа сразу позволила рассчитывать тени в реальном времени. Да и детализация объектов заметно возросла: вроде бы полигонов столько же, а объемность пространства увеличилась на порядок.
Bump Mapping
Первым методом создания рельефности объекта стал Bump Mapping, в просторечии просто «бамп». Смысл технологии в том, что неровности объекта задаются одной-единственной картинкой (она называется бамп-картой), состоящей из градаций серого цвета (от 0 до 255). Чем белее пиксель (ближе к коду 255), тем больше он «приподнят» над поверхностью, более темному пикселю (ближе к 0) соответствует более «углубленное» положение.
Для своего времени бамп был очень хорош, но требования геймеров к изображению неумолимо росли. И вот уже технология, которая учитывает только направление света и степень приподнятости/углубленности пикселей, не может обеспечить нужного качества картинки. Да еще и «пластиковость», присущая бампу, давала о себе знать. Как, скажите, делать игру про Вторую мировую, если все помещения выглядят словно их отлили из цельного куска пластмассы?
Отчасти поэтому, а отчасти и потому, что карты Bump Mapping почти всегда приходится создавать вручную (качественного алгоритма автоматизации данной работы как не было, так и нет), разработчики все реже используют его в своих разработках.
Normal Mapping
В Crysis объемность достигается за счет сочетания бампа, нормалей и параллакса.
На смену бампу пришло второе поколение алгоритмов рельефного текстурирования. Оно получило название Normal Mapping (иногда, хотя и довольно редко, его называют «нормалом» или «нормалями»). Главное отличие Normal Mapping от бампа — более высокая точность вычисления, которая достигается за счет добавления в карту данных об ориентации нормалей (перпендикуляров) поверхности. Еще одна важная особенность: Normal Mapping карты можно генерировать в автоматическом режиме, а не рисовать длинными зимними вечерами в Photoshop.
Смысл нормаля довольно прост: на основе текстуры высокополигональной модели строится так называемая карта разности, которая, будучи наложенной на низкополигональный объект, делает его необычайно похожей на многополигональный. Вроде бы треугольников мало, а картинка выглядит так, словно их многие миллионы. В карте нормалей цвет каждого пикселя задает ориентацию нормали в данной точке поверхности. Пространственным координатам (X, Y, Z) соответствует тройка цветов (R, G, B).
Значения R, G, B варьируются в пределах от 0 до 255, причем 127 соответствует нулю. То есть голубой цвет (127, 127, 255) описывает просто гладкую поверхность, а они на низкополигональной и высокополигональной модельке одинаковы. Это объясняет, почему карты нормалей имеют в основном голубой цвет, а детали выделяются другими цветами. Обратите внимание, в карте нормалей альфа-канал изображения содержит стандартную карту Bump Mapping. В компьютерных играх карты нормалей совершили настоящий переворот.
Технология нормалей произвела революцию, пожалуй, даже большую, чем в свое время бамп. Теперь все объекты не только выглядят объемными, но и, как бы это сказать, настоящими, а не так, словно они сделаны из пластика. Сейчас сложно найти экшен или даже стратегию, движок которой не использовал бы карты нормалей. Это стандарт де-факто.
И хотя преимущество Normal Mapping очевидно, приходит время, когда и он перестает устраивать девелоперов. И им на помощь готовы придти технологии завтрашнего дня.
На нашем DVD в разделе «Игрострой» находится большое число пояснительных скриншотов, видео и примеров, которые позволят вам составить полное представление о современных технологиях рельефного текстурирования.
Parallax Mapping
Главный недостаток бампа и нормалей в том, что рельефные детали, описываемые соответствующими картами, на самом деле плоские. Они не меняют своих очертаний, под каким бы углом игрок на них ни посмотрел. Когда персонаж стоит на месте, все здорово, картинка выглядит объемной, но стоит ему немного пошевелиться, сместиться буквально на полметра в сторону, и иллюзия глубины рассеивается — глаз человека ловит несоответствие освещения и изменившейся перспективы.
С пришествием новых шейдерных моделей и графических ускорителей стало возможным усложнить сами шейдеры и улучшить графическое представление рельефных поверхностей. Одна из новых технологий называется Parallax Mapping (в Unreal Engine 3.0 он именуется Virtual Displacement Mapping). Ее главное новшество — она заставляет мелкие детали выглядеть по-настоящему объемными. Параллакс имитирует объемность за счет пространственного искажения рельефа относительно камеры (то есть главной оси взгляда).
Relief Mapping
Но даже параллакс не идеален, ведь он не изменяет очертания мелких объектов, а только лишь всего рельефа целиком. Поэтому объект с детальной поверхностью имеет довольно грубые контуры и отбрасывает не очень реалистичную тень.
Проблему сумел решить бразильский аспирант Мануэль Оливейр и его коллеги (www.inf.ufrgs.br/
oliveira). Новую разработку назвали Relief Mapping или Per-Pixel Displacement Mapping, она включает в себя целых три алгоритма визуализации поверхности.
Простой Relief Mapping. Это самый простой из новых алгоритмов Relief Mapping. Он разработан как оптимальная замена Normal / Parallax Mapping. Как и предшественники, Relief Mapping не меняет очертаний самого объекта, зато делает детали на 100% объемными, способными отбрасывать тень друг на друга. Наиболее эффективное применение данного шейдера (а Relief Mapping, по сути своей, именно шейдер) — поверхности, которые не позволяют напрямую увидеть их контуры. Например, стены зданий и коридоров, поверхности скал и открытых площадок: вы же не можете погрузиться в трещину скалы, чтобы понять, что она на самом деле плоская, а не объемная. Это стало очевидно и для коллеги Оливейра по имени Фабио Поликарпо — именно он создал графические модификации для DOOM 3 и Quake 4, заменяющие там Normal Mapping на Relief Mapping.
Relief Mapping, меняющий очертания объекта. Второй алгоритм Relief Mapping рванул как атомная бомба: это самый реалистичный эффект рельефной поверхности, рассчитанный в реальном времени. Причем полностью меняющий очертания самого объекта, поэтому его еще называют True Per-Pixel Displacement Mapping. Абсолютно недостижимый ранее фокус, реализованный теперь с помощью высокоуровневого языка шейдеров DirectX 9.0c.
Уже сейчас ясно, что Displacement Mapping выведет графику компьютерных игр на новый уровень всего через два-три года. Главная проблема всех игр — пресловутая угловатость, которая всегда бросается в глаза, будет полностью побеждена.
Многослойный Relief Mapping. Третий, самый невероятный алгоритм — Quad Depth Relief Mapping (также называемый Multilayer Relief Mapping) — делает то, что кажется вообще невозможным. Представьте себе простой прямоугольный полигон, на него накладывается несколько особых текстур рельефа, обрабатываемых специальным шейдером. При этом почти со всех сторон (кроме вида, когда полигон проецируется в линию) вместо полигона вы видите совершенно правильный объемный объект!
Вот только системные требования новой технологии пока еще довольно высоки. У нас в редакции на Pentium 4 3,2 ГГц с 1 Гб DDR-2 и GeForce 6600GT PCI-E простенькие демки выдавали около 75 кадров в секунду, но вот если речь идет о полноценной игре. Современные компьютеры пока не готовы к пришествию Relief Mapping, однако через один-два года ситуация должна измениться.
Ведь для разработчиков игр карты рельефа — это не какое-то туманное будущее, а суровая реальность. Уже сейчас весь арсенал Relief Mapping доступен в виде плагинов для 3DS Max 6—9 (за исключением плагина многослойной рельефности, который создан пока только для Max 6—8).
Будущее однозначно принадлежит новым технологиям рельефного текстурирования. Увеличивать в разы число полигонов, чтобы добиться должного уровня реалистичности, слишком ресурсоемко, а вот добавить несколько новых шейдеров могут практически все разработчики, была бы программная база. С теми технологиями, которые есть в загашнике у геймдева, мы будем очень скоро со снисходительной улыбкой смотреть на графику современных игр: «Десять баллов? Полно те, это же примитив».
На этом наш экскурс в мир полного 3D не заканчивается. В самом ближайшем будущем мы вместе с вами изучим и другие, не менее новаторские разработки.
Текстурирование, или что нужно знать, чтобы стать Художником по поверхностям. Часть 4. Модели, нормали и развертка
Модели, нормали и развертка
По моему скромному мнению, художник по текстурам должен отвечать за развертку. Не за саму развертку (ее стоит делать 3D-художникам или вообще отдельным UV-специалистам), а ее укладку. Он должен определять, как острова должны располагаться, как должны быть повернуты и насколько сильно их можно потянуть в той или иной ситуации в зависимости от требований.
Именно художник по текстурам (а в дальнейшем, по поверхностям) должен определять скейл (масштаб) островов (об этом чуть позже).
В этой части мы рассмотрим модели, развертку и нормали. Создадим текстуры для первой полноценной модели (хоть и простой) и настроим ее в Unreal Engine 4.
Внимание. Предполагается, что к этому моменту вы разобрались с картой нормалей, и зачем она нужна. Потому что в этом туторе мы будем очень часто о ней говорить.
Часть 1. Пиксель здесь.
Часть 2. Маски и текстуры здесь.
Часть 3. PBR и Материалы здесь.
Часть 4. Модели, нормали и развертка — вы ее читаете.
Часть 5. Система материалов здесь.
Модели и PBR. Практика
Я не буду рассказывать, как создавать модели или как зачищать / выстраивать сетку. Эту информацию можно получить со множества курсов, которые есть как в свободном доступе, так и в платном. Наша задача сейчас разобрать конкретные ограничения в строениях моделей для игр и какие варианты решений существуют на данный момент.
Но для начала мы затекстурим модель, а за одно посмотрим на ней первое ограничение. Работать мы будем над этой лавкой:
Для этого нам необходимо будет скачать сам меш и заранее подготовленную карту нормалей к нему (ниже я объясню наглядно, зачем мы ее подготовили). Ссылка здесь.
Так же я бы хотел сделать ее основу деревянной, а ножки — металлическими. Ну и немого накидать грязи. Соответственно, нам понадобятся 2 материала:
Начнем практику и создадим стандартный проект, укажем лавочку, текстуры и запустим его:
Обратите внимание, что в этот раз нам необходимо будет указать Normal Map Format — OpenGL. Я уже писал в прошлой части, что карты нормалей считываются по разному разными программами. И данная карта была сгенерирована под программы, которые используют OpenGL.
У нас были загружены 9 текстур + основной меш.
Сейчас не будем делать никаких слоев и папок, а давайте рассмотрим максимально близко лавочку. Особенно нас интересуют грани объекта:
Я выделил для примера одну грань лавочки. Сейчас она максимально идеальная. То есть, две стороны сошлись в одном ребре и создали идеальный угол. Сколько бы мы не приближали этот стык, он всегда будет идеально ровным. В реальности же идеальных углов не существует, и даже лезвие бритвы при должном увеличении будет скруглено. Именно поэтому ребра выглядят сейчас не кинематографично. Такие модели смотрятся очень слабо, и когда мы видим их в игре, то сразу ощущаем всю слабость визуальной картинки, даже если не замечаем эти углы у моделей напрямую.
Это первое ограничение модели
Раньше, когда ресурсы видеокарт не позволяли обрабатывать миллионы вертексов в одном кадре, решение было в текстурах карт нормалей. В них указывали, как свет должен начать отражаться так, чтобы появилось ощущение, будто у этих границ есть скругление. Конкретно к этой лавочке такая карта нормалей выглядит вот так:
Даже просто глядя на набор параметров в виде этой карты можно ощутить, как карта нормалей будет сглаживать углы.
Теперь давайте укажем эту карту нормалей, как основную (то есть, она всегда будет подкладываться к результату, как самый нижний слой без маски). Для этого нам необходимо открыть настройки основных текстур объекта и указать в параметрах карт нормалей нашу текстуру:
И смотрим на результат:
Это первый самый известный и часто используемый метод борьбы с резкими гранями — запекать в карты нормалей фаски. То есть, модель все так же жесткая, но карта нормалей у ее граней начинает искажать свет, что создает иллюзию красивой мягкой фаски. В интернете можно найти кучу информации о том, как это делать. Для простых объектов, как эта скамейка, можно не делать хай-поли модели (и не запекать с нее соответственно), а сгенерировать карту нормалей с фасками в программах. Например, это умеет делать программа Modo. Наша скамейка имеет карту нормали, сгенерированную в Modo.
Но опустим тему запекания фасок и продолжим текстурирование скамейки.
Теперь создадим 2 папки для слоев, создадим и перенесем в каждую по 1-му слою и в каждый слой вставим все текстурные карты. Не забывайте о нейминге, чтобы потом не путаться:
Сейчас иерархия слоев нам не важна, так как данные материалы (металл и дерево) между собой пересекаться не будут — у нас не будет ситуации, когда сквозь дерево начнет проступать металл и наоборот. Но маски нам все еще нужны будут, так теперь нам необходимо ограничить видимость слоев на разных островах, поэтому сейчас добавьте черные маски на обе папки:
И теперь укажем, какие острова разверток у нас должны быть белыми на масках, а какие — черными. Для этого выделим маску и переключимся в режим выделения островов:
Кликнем на модели по основной скамье (если вы выделили маску дерева) и получим следующий результат:
Как видно на скриншоте — маска обновилась, и теперь на ней огромная белая полоса, которая расположена на месте острова. Покрасим таким образом всю скамью вокруг:
Сам материал дерева оказался не самым удачным, но наша цель сейчас не максимально красиво все сделать, а разобраться в принципах работы.
Сделаем то же самое с маской для металла, отметив видимой зоны с островами ножек. Выделите маску металла и укажите нужные части объекта:
Так же нужно залезть в трудно доступные места на стыках и отметить там нужные нам острова как для дерева, так и для металла:
Если вы внимательно осмотрите ножки, то заметите второе ограничение модели.
Развертка выполнена не корректно, и рисунок стали между сторонами ножек не согласуется — его фактура направлена в разные стороны, что визуально сильно бросается в глаза (направление отмечено стрелочками):
Это именно ограничение, преодолевать которое можно путем выравнивания островов и их растягивания. Сейчас остров, на котором нарисована стрелочка вниз, выглядит так (выделен оранжевым):
Для того, чтобы исправить проблему, необходимо, чтобы остров был выпрямлен в одну линию:
Тогда мы решим это ограничение, но у нас возникнет другое — потяжки:
Потяжки не страшны, если они не сильно заметны, или фактура на них не выдает их. Но с ними нужно быть осторожными, и иногда приходится мириться с тем, что могут возникать несостыковки материалов.
В целом, проблема швов в объектах остается до сих пор не решенной до конца. В дальнейшем мы рассмотрим другие варианты того, как избавляться от швов и даже попробуем действительно крутые методы в следующей части.
Потертости на лавочке
Как мы знаем, на всех гранях всех вещей рано или поздно начинает откалываться краска, или кусочки материала. Там появляется большое количество царапин и сколов:
Поэтому давайте создадим маску, которая позволит нам в дальнейшем под ней отображать такие же потертости, царапины и сколы.
Для этого необходимо открыть настройки основной текстуры (где мы указывали карту нормалей), там выбрать Bake Mesh Maps.
В появившемся окне убрать все лишние галочки, оставив только Curvature и запечь ее, нажав на Bake [доп.название] Mesh Maps:
Когда создание текстуры закончится — она станет доступна в shelf под тегом Project:
А так же эта текстура автоматически подключится в качестве основного параметра Curvature в настройках текстуры. Уберем ее оттуда:
Если создать новый слой вверху иерархии и установить в качестве параметра Base Color полученную текстуру, то мы увидим следующий результат:
Теперь удалим этот слой, так как он нам нужен был исключительно для понимания.
Далее создадим папку, назовем ее Folder Dirt и поместим ее в папку с деревом НАД слоем с деревом. В этой папке создадим слой под названием LowLayer_Dirt, а на самой папке создадим черную маску, чтобы слой не накладывался на результат:
Укажем, что маска для грязи должна состоять из эффектов Fill, чтобы добавить текстуру, которую мы создали (curvature), и дополнительным эффектом «Levels».
Для чего нам нужен эффект «Levels» сейчас? Вы, наверное, обратили внимание, что маска для граней слишком светлая? Сейчас нам нужно будет обрезать цвета таким образом, чтобы оставить светло-белым места на гранях, а все остальное сделать абсолютно черным.
Конечный результат у вас должен получиться таким:
Таким образом мы создали «границу дозволенного» для грязи. Теперь надо ограничить саму грязь. Для этого нужно наложить черную маску на сам слой LowLayer_Dirt. После этого добавить эффект Fill, и в нем указать маску Dirt4, которая спрятана под тегом Procedurals:
Повторюсь. Сейчас наша цель не в качественной идеальной покраске лавочки, а работа с основами и тренировка работы с масками.
А сейчас домашнее задание
В целом, сейчас мы рассмотрели, как накладывать быстро маски для конкретных материалов, которые между собой не пересекаются. Как можно догадаться, чтобы нанести лак на дерево — нам нужно создать слой в папке с деревом. Но сейчас мы этого делать не будем, а сама задача остается для домашней работы:
Мы разобрали, как текстурировать модели с помощью масок. Как наносить грязь, сколы и царапины.
Чтобы в дальнейшем у вас было простое представление, как это все работает, запомните правило — один материал — одна папка для работы с ним. Так вы сможете лучше контролировать ваши маски и слои. Например, поместив слой грязи в папку с материалом вы все еще контролируете на уровне маски папки общую зону видимости этого материала, а теперь еще и грязи на нем (или слоя под ним). Например, в реальности под фактурой (материалом) может лежать другая фактура — под металлическим напылением может прятаться пластик. В данном случае, металл — это основной слой, а пластик — дополнительный слой под металлом (хотя в туторе выше мы слой со сколами и поместили выше дерева, по факту — это более низкий слой в иерархии. Иначе говоря, это ошибка).
Слои материалов, их иерархию нужно просчитывать до того, как вы начнете создавать текстуры. Это важно, поэтому что некорректные расположения слоев в конечном итоге могут привести к тому, что вам придется все начинать сначала и потратить долгие часы на разбирательство того, почему ваша текстура отображает только металлический слой.
В целом, на этом мы закрываем большую тему того, как можно текстурировать объекты для игр в рамках PBR. Всё остальное — техники. Моя задача рассказать суть, основу всего этого, чтобы у вас не было в дальнейшем вопросов по типу «А чем отличается карта Roughness от Metallic и Normal map?» (сразу отвечу — ничем), а появились вопросы — «А как это можно усовершенствовать? Как сделать лучше и эффективнее?»
Мы разобрали несколько ограничений, у которых существуют решения.
Во втором случае так же нужно помнить о направлениях островов — их нужно разворачивать согласовано, как и направление узора в материалах. Иначе возникнут сложности, описанные выше.
Развертка
Отложим на время в сторону Substance Painter. Не закрывайте проект, он нам пригодится позже, когда мы будем экспортировать текстуры в Unreal Engine 4.
В этом куске туторов мы рассмотрим развертку объектов, плотность островов и наконец-то изучим такое явление, как плотность текселя.
И начнем с текселя.
Тексель — это текстурный пиксель (ба-дум-с).
Плотность текселя и островов
Чтобы не путать пиксель монитора (физический элемент реального мира, который всегда фиксированного размера) с пикселем текстуры (визуализированный квадратик, который может менять свои размеры на экране монитора и вообще искажаться в целом), текстурный пиксель стали называть текселем (Текстура и пиксель).
На эту тему есть достаточно полная статья здесь. И перевод здесь.
Однако, мы еще раз рассмотрим это явление, потому что в дальнейшем, если мы не осознаем всю идею текселей, то нам будет сложно работать дальше. И уж тем более будет сложно стать художником по поверхностям.
С этого момента, мы начинаем говорить правильно — пиксель и тексель. Пиксель — мониторный элемент. Тексель — текстурный элемент.
Так вот, повторим пройденное, тексель — это мнимая единица отображения информации. Она существует только в цифрах (массив цифр из различных каналов), но, чтобы нам было проще работать с параметрами рендера, были введены текстуры, как визуальный заменитель массивов цифр. Думаю, никому не было бы приятно разрисовывать космический корабль одними только цифрами, держа в голове представление, что тексель в 8 ряду и в 453 столбце должен быть на 1 значение меньше, чем тексель в 284 ряду и в 112 столбце. Проще тыкать кисточкой в Photoshop’е.
Рендеры (системы визуализации) считывают эти цифры и отображают их в качестве квадратиков (текселей). Отображение текселя в виде квадратика — дело условное. И зависит оно в частности от плотности и натяжения островов развертки модели.
О плотности островов развертки мы поговорим чуть позже, а сейчас разеберемся с натяжением островов.
Представим себе кусок ткани (если представить сложно — возьмите любой кусок ткани, которую можно растянуть). В спокойном состоянии рисунок (или паттерн материала) на ней остается неизменным, как и задумывал производитель. Но если мы начнем растягивать ткань, то и рисунок начнет так же растягиваться. Тот же самый эффект происходит тогда, когда мы растягиваем (или сжимаем) остров развертки модели:
Развертка левой и правой стороны расположилась вот так:
На примере видно, что сжав репрезентацию (остров) левой стороны, мы растянули тексели таким образом, что теперь они отображаются на левой стороне куба в виде прямоугольных вытянутых палочек. То есть, тексель на объекте зависит от того, как выполнена развертка этого объекта. Часто в 3D-редакторах объектов есть возможность проследить, насколько сильно сжат или растянут остров развертки. Например, в Autodesk Maya это выглядит вот так:
Где красным отображается сильное сжатие, а синим — растяжка.
Остров развертки должен корректно расправляться, не создавая стяжек. Еще острова должны быть отмасштабированы между собой. То есть, площадь, которую занимает остров, должна соответствовать площади другого острова. В противном случае, получится так, что один остров реальной площадью 20 кв.см будет занимать 20% площади текстурного пространства, а остров с реальной площадью в 100 кв.см будет занимать 5% площади текстурного пространства. И отсюда получится разногласие в отображении количества текселей на острове:
Остров правой стороны куба очень маленький и способен отобразить лишь 25 текселей, на которых он и располагается. В связи с этим, рендер увеличивает тексели согласно площади острова, и мы видим большие квадраты.
Слева остров очень большой — он покрывает большой кусок текстурного пространства и способен вместить в себя больше текселей, что и получилось на экране. Верхняя сторона имеет усредненный размер.
То есть, чтобы модель правильно текстурировать — нужно выравнивать площадь всех островов, чтобы они были равны по отношению друг к другу:
Выше картинка из статьи хаброчанина Osmandos. Его статья вот здесь. Рекомендовано к прочтению.
Если мы вернемся к нашему кубу, то увидим, что тексели на нем (черные и белые квадратики, в данном примере) очень большие (опять же — условно. Представим, что в текущей текстуре квадратики — это тексели). Даже если мы выровняем все острова, мы все еще видим черные и белые квадратики на сторонах куба:
Это говорит нам о том, что текущий размер текстуры не достаточно высокого качества, поэтому мы видим тексели. Но так ли это?
Представим, что текущая текстура (ее обычно называют «чекер» (Checker) — текстура для проверки корректной настройки островов) имеет размерность 63 на 63 текселей. И сейчас мы видим этим тексели, потому что объект расположен к нашей камере настолько близко, что размер одного текселя занимает площадь 30х30 пикселей монитора (условно).
А если мы отдалим куб от камеры подальше?
Попробуйте теперь разглядеть тексели на этом кубе?
Теперь 1 тексель равен по размерам 1 пикселю (но это не точно). И размер такой текстуры является идеальным, так как позволяет отобразить все свои тексели, а так же не отображает ничего лишнего и не прячет ничего лишнего. Это идеальный размер для такого расстояния.
То есть, размер текстур зависит очень сильно от площади, которую занимает развертка модели и от расстояния объекта до камеры. Если объект будет находиться на достаточно большом расстоянии от нас — нет смысла ему выдавать текстуры 8к на ноготок. Даже если вы делаете текстуры для фильма — никто просто не увидит белую полоску на ноготке девушки, рука которой занимает 3% от площади экрана.
Важно понимать масштабы моделей и то, где они будут располагаться относительно камеры, чтобы корректно выстраивать размеры текстур. Очень часто я видел игры от инди-разработчиков, которые пренебрегали этими простыми правилами, и в итоге их текстуры были не самого лучшего качества.
Не забывайте выравнивать острова относительно друг друга — это важно и очень сильно влияет на восприятие. Если вы откроете, например, игру Fallout 4 и начнете диалог с каким-нибудь NPS, то заметите, что качество текстур на одежде персонажа оставляет желать лучшего, а лицо имеет максимального размера текстуры:
Стоит помнить, что в играх часто специально занижают размер текстур в угоду производительности. Да и кто смотрит на одежду, когда у персонажа такое интересное лицо со шрамами?
Большие размеры текстур занимают большое пространство (в памяти, я имею в виду). Поэтому многие разработчики принимают тяжелое решение — что урезать, а что оставить, лишь бы игра не тормозила на вашем ПК / консоли / телефоне. Однако, к этому вопросу мы еще вернемся и рассмотрим новейшие методики, которые позволяют избегать таких неприятностей.
Запекание текстур
Что такое — запекание текстур?
Запекание текстур — это когда пакет для создания текстур начинает высчитывать конечный результат и сохранять его в отдельные файлы, с помощью которых потом окрашивается модель в игровом движке.
Грубо говоря, в Substance Painter мы накладываем слои за слоями через маски и прочие хитрости, чтобы добиться конечного результата. Мы работаем над тем, как должна выглядеть конечная модель, смешивая различные варианты материалов. Но, если вы заметите — чем сложнее будет ваша комбинация слоев, масок и материалов, тем сложнее будет обрабатывать ваши изменения программе. Дело в том, что Substance Painter (Любая другая программа для текстурирования) сверяет каждое ваше изменение и просчитывает в реальном времени ВСЕ созданные вами слои и каналы (а я напоминаю, что вы можете еще и свои каналы добавлять в слои для всего-чего-угодно), которые приходятся на тексель.
И когда мы довольны результатом и готовы выгрузить его в игровой движок, то мы просим Substance Painter сделать последние расчеты и создать нам текстуру с параметрами для цвета каждого пикселя, и 3 дополнительные текстуры с параметрами Metallic, Roughness и Normal Map. Это позволит нам не выгружать в игру тонны масок и дополнительных материалов, не заставлять движок рассчитывать все заново, а просто предоставить ему готовый результат, который он преобразует в текстуры для модели.
В целом, с запеканием текстур мы разобрались. Однако нам нужно посмотреть, как происходит выгрузка параметров в текстуры, чтобы мы узнали, как мы можем контролировать то, в какие каналы текстур какие данные пойдут. Это важно, потому что в стандартах изображения все еще всего 4 канала. И нам нужно уметь выбирать, в какой канал какие параметры пойдут, чтобы мы могли потом быстро их подключать.
Теперь возвращаемся в Substance Painter, в наш проект, и начнем выгружать текстуры. Для этого откроем окно выгрузки текстур (File — Export textures):
Вот так оно выглядит изначально. Если мы развернем набор текстур, то увидим список файлов, которые будут выгружены в качестве экспорта:
Как видим, здесь 4 текстурных файла, которые должны экспортироваться, против 9 файлов, которые мы загрузили.
Но нас они не интересуют, так как стандартные настройки, а нам нужны свои личные (или по стандарту студии, в которой вы работаете). Поэтому перейдем в окно Configuration:
Для начала создадим новые преднастройки и выберем их, чтобы не сбивать уже готовые:
Теперь обратим внимание на панели справа:
Input Maps — это список каналов, которые мы использовали. Большая часть из них имеют названия, так как используются для PBR для конкретных целей. Есть 8 каналов (от 0 до 7), которые доступны для редактирования, но Substance Painter не знает, зачем вам они могут пригодиться, поэтому у каналов стандартные названия User0 — User7.
Converted Maps — это список текстур, которые зависят от типа рендера. Например, Normal Map зависит от движка. И нам нужно знать, какой API использует движок — DirectX или OpenGL, чтобы выбрать корректную карту нормалей для него. Поэтому Substance Painter выделяет эти карты в отдельную категорию, так как конечный результат их будет зависеть от того, что вы выберете.
Mesh Maps — те текстуры, которые вы загрузили вместе с объектом или сгенерировали во время работы над ним. Мы загружали 9 текстур. 8 из них относились к слоям (материалам), а 9-ая карта нормалей для фасок уже относилась напрямую к объекту. Кроме карты нормалей мы создали еще карту Curvature для наложение по ней сколов. Эти карты относятся именно к объекту и не могут использоваться в качестве основы для материалов, поэтому они вынесены в отдельный список.
Теперь рассмотрим панель создания текстур:
Это кнопки, нажав на которые вы создаете 1 файл текстур (точнее, подготавливаете все для его создания).
Gray — создает текстуру с одним каналом. В этот канал мы можем расположить любые наши настройки — Roughness, metallic, specular, emissive. Все те настройки, которые работают в одном канале.
RGB — создает текстуру с 3 связанными каналами. То есть, это предназначается для таких параметров, как цвет (BaseColor), карта нормалей. То есть, для всех параметров, которые используют 3 канала для полноценной реализации себя.
R+G+B — создает текстуру с 3 не связанными каналами. То есть, у нас текстура с тремя Gray — каналами. Можем указать параметр с 1 каналом в каждый канал текстуры отдельно. Часто это используетс для ORM — (Occlusion-Roughness-Metallic). То есть, в первом канале хранится Ambient Occlusion, во втором хранится Roughness, в третьем — Metallic.
RGB+A — как вы уже догадались — 3 связанных канала и 1 не связанный.
R+G+B+A — четыре не связанных канала.
Теперь, зная это, подумайте, сколько файлов нам необходимо, чтобы выгрузить всю информацию о том, как должна выглядеть конечная текстура для объекта.
Правильно, минимум 3 текстуры:
Не забываем правильно именовать текстуры, иначе потом не разберемся, что где и как.
Сейчас нам необходимо указать, какие параметры в каких каналах будут храниться. Для этого просто перенесите из Input Maps параметры в нужные каналы. Карту нормалей нужно перенести DirectX, так как в UE4 используется такой формат чтения нормалей.
В итоге, у нас получится следующий набор:
Теперь переключаемся обратно в Export. Там мы:
И вуаля — экспорт текстур прошел успешно. Откроем текстуру BC (BaseColor) в Photoshop и посмотрим на нее:
Вы помните, как мы создавали 2 разных материала в разных слоях? Substance Painter сложил все слои, высчитал результат конечного варианта текстуры, которая будет покрывать объект, и «запек» все тексели ровно так, как вы замаскировали их. Все то же самое он сделал с Normal Map, Roughness и Metallic.
Если мы откроем карту ORM в Photoshop, перейдем режим отображения каналов и выберем последний (синий), то мы увидим запеченную карту Metallic:
По этой карте можно представлять, где острова должны быть металлическими, а где — не металлическими.
Мы научились создавать готовые текстуры для игрового движка.
Важно. Сейчас мы научились запекать текстуры, делая весь расчет создания этих текстур в Substance Painter. То есть, мы сделали все для того, чтобы получились готовые текстуры, которые теперь мы можем использовать в разных движках (с оговоркой на обработку некоторых параметров PBR). Минус такого подхода — если нам нужно что-то кардинально изменить — нам приходится возвращаться в программу и переделывать текстуры.
Чтобы рассчитать, как правильно отображать цвет и свет от текселя — видеокарте нужно произвести расчеты на каждый тексель. И это не будет никак зависеть от того, сколько пикселей у вас на мониторе. Это будет зависеть от того, сколько текселей используется при формировании текстуры (в паинтере мы используем стандартные настройки, значит, используем 1024*1024 текселей). То есть, чтобы отобразить корректно текстуру, паинтеру нужно посчитать каждый пиксель, и учесть в нем все слои, которые вы создали. Это трудоемкая задача, поэтому раньше (да и сейчас) PBR-текстуры создавали в основном в программах для текстурирования.
Unreal Engine 4
И на последок выгрузим наш объект в UE4 и посмотрим наш результат. Я не буду расписывать, как открыть UE4, как создать проект, как вообще его устанавливать и какие там кнопки жать. Для этого есть очень хорошие курсы от Flakky. Курсы все располагаются на его сайте uengine.ru.
Сейчас мы рассмотрим только импорт нашей лавки и получившихся текстур, создание примитивного шейдера и подведем итоги.
Для начала откроем проект и создадим в нем папку «Bench», в которую мы скинем все наши текстуры и объект. Чтобы импортировать все текстуры — достаточно просто перенести их из браузера в проект. Они без проблем импортируются и никаких настроек дополнительно не попросят. Что касается объекта, то при его импорте Unreal Engine попросит вас указать некоторые настройки. В целом, ничего менять не нужно, кроме 2 параметров. Их надо отключить:
Эти параметры отвечают за импорт текстур, а они у нас отдельно хранятся.
В итоге, в нашей папке 3 текстуры и 1 объект:
Теперь в любом свободном пространстве в браузере проекта нажмем ПКМ и выберем Material:
Назовите его M_Bench.
Откройте его и перетащите в него все наши текстуры. Получим такую картину:
Это ноды (Node) контейнеры, которые позволяют визуализировать настройки так, чтобы с ними было удобно работать даже новичку (огромное спасибо за успешную реализацию нод Epic Games. Без систем Blueprints и нод в частности у многих горели бы головы от цифр и кода). Белые пины (выходы и входы) на текстурах (нодах слева) обозначают, что подаются сразу три канала. А вот красные, зеленые и синие — каждый канал отдельно. Последний сероватый — это альфа-канал, но в наших текстурах его нет, поэтому использовать этот пин мы не будем. Справа большая нода, которая принимает в себя параметры, суммирует их и создает полноценный материал.
Весь принцип работы текстур в Substance Painter используется и здесь (и в любом другом игровом движке) — вы указываете, какие параметры для чего нужны, и программа выдает результат. В данном случае, большую часть расчетов взял на себя Substance Painter, Unreal Engine же просто складывает готовые результаты Painter’а и создает готовый шейдер (материал), который можно наложить на лавочку.
Нам осталось только правильно подключить пины и попросить движок рассчитать нам результат:
А почему я не воткнул из текстуры ORM красный канал в Ambient Occlusion? Я уже как-то упоминал, что AO считается устаревшей, так как АО часто рассчитывается в реальном времени. И в ноде материала есть пин Ambient Occlusion, но он не работает. Он даже не принимается в расчеты. Оставлен здесь по какой-то причине. Предполагаю, что достаточно большой объем работ требуется для его удаления.
Итак. У нас готов самый простой шейдер (материал), и мы можем наконец-то покрасить нашу лавку. Для этого откройте лавку в UE4, кликнув по ней 2 раза ЛКМ. И перетащите материал из браузера проекта в слот для материала:
Ну вот. Теперь вы получили свой первый готовый объект.
Результат вы можете увидеть сами, а я лишь подведу итоги.
В очень простой форме мы научились создавать первые шейдеры в движке UE4. Вы спросите — а почему это называется Material, а не шейдер в самом движке? Так проще объяснять, что это за формат построения текстур такой — это материал, который накладывается на объект, и объект становится красивым. Но возможности шейдеров куда больше (намного, в сотни раз больше), чем просто показать текстуры.
Оффтоп. Решение проблем с фасками
Выше я обозначил проблему с фасками и как ее решить. Но есть второй способ, который мы в рамках этой части рассматривать не будем полноценно — это создание фасок на модели и выравнивание нормалей таким образом, чтобы поверхность меша создавала иллюзию красивой фаски. Такая фаска создается за счет выравнивания нормалей вертексов (тангенсов). И этот метод даже в чем-то более экономичный для производительности, чем метод с картами нормалей, а уровень красоты его запредельно высок по отношению к обычному текстурированию фасок. Вот пример двери, которая стоит в одном из наших игровых проектов (пока что не анонсированных):
Я натыкался на информацию об этой теме только на англоязычных ресурсах. Здесь.
Плюс этого метода в том, что мы создаете красивую фаску, при этом, кол-во вертексов увеличивается не на много, так как жесткие грани — это всегда 2 вертекса в одной точке, а мягкие грани — это 1 вертекс, и увеличивается кол-во треугольников для отрисовки:
Стоит помнить, что нам карта нормалей для объекта нужна в 99% случаев для создания фасок. А карты нормалей для материалов и каких-то отдельных элементов — это уже немного другая тема.
Оооооох. Ну и большой же получилась эта часть. Но она была необходима, чтобы полностью покрыть тему стандартного текстурирования. И на этом мы можем остановиться.
Ну правда, мы прошли путь от еле заметного элемента пикселя на вашем мониторе до сложных схем из масок, которые определяют видимость не менее сложно устроенных слоев материалов. Наконец-то разбили слово пиксель на два — тексель и пиксель. И научились все это запекать и подключать в игровом движке. На этом шаге можно подвести длинную жирную черту и сказать, что мы стали самыми настоящими художниками по текстурам. Все остальное — красота сколов на объектах, кинематографичность визуального представления — это все наработка временем и постоянным стремлением познать новые техники и способы.
Можно смотреть больше уроков и совершенствовать свой навык. Например, в Substance Designer есть огромная наковальня генераторов, создав которые, вы можете использовать в качестве их генераторов слоев. И все те маски, которые были для грязей, уже не создавать вручную, а реализовывать на уровне функций, которые все сделают красиво за вас.
Нужно всегда помнить, что мы рассматриваем диапазон значений от 0 до 1. Это важно, потому что стандартные текстуры имеют 8 бит на канал, а HDR-текстуры имеют более широкие каналы (от 16 бит и более), а значит, диапазон чисел там намного больше, чем 0 до 255. Но это все еще диапазон от 0 до 1.
И казалось бы все, предел. Мы достигли высокой планки понимания того, как создаются текстуры. Можно просто все бросить и пойти уже на работу художником по текстурам в любую компанию, которая разделяет моделирование и текстурирование (как это делаем мы, например).
Но так ли это? Мы действительно достигли предела в текстурировании и лучше уже не получится?
Или есть куда ещё расти?
Да! И у нас остался еще один тутор, который выведет текстурирование на новый технологический скачок и, по моему скромному мнению, будет представлять собой следующее поколение текстурирования.