馮碩

摘要：法線貼圖（Normal Mapping）是三維設計中最常用的工具之一，被廣泛使用在動畫、影視和游戲等多個領域之中，是增加材質表面細節(jié)的重要方法。美術人員只需針對同一個模型制作一個高模和一個低模，烘焙出一張法線貼圖，在游戲中使用低模+法線貼圖即可。

關鍵詞：渲染、三維、法線、貼圖、Normal、Mapping

法線貼圖（Normal Mapping）是三維設計中最常用的工具之一，被廣泛使用在動畫、影視和游戲等多個領域之中，是增加材質表面細節(jié)的重要方法。法線貼圖是在原物體的凹凸表面的每個點上均作法線，通過RGB顏色通道來標記法線的方向，你可以把它理解成與原凹凸表面平行的另一個不同的表面，但實際上它又只是一個光滑的平面。對于視覺效果而言，它的效率比原有的凹凸表面更高，若在特定位置上應用光源，可以讓細節(jié)程度較低的表面生成高細節(jié)程度的精確光照方向和反射效果。

在三維計算機圖形學中，法線貼圖（英語：Normal mapping）是一種模擬凹凸處光照效果的技術，是凸凹貼圖的一種實現(xiàn)。法線貼圖可以在不添加多邊形的前提下，為模型添加細節(jié)。常見的使用場景是為低多邊形模型改善外觀、添加細節(jié)，此時的法線貼圖一般根據(jù)高多邊形模型或高度貼圖生成。法線貼圖通常以普通RGB圖像的形式存儲，其中的R、G、B分量分別對應法線的X、Y、Z坐標。法線貼圖有時也稱為“Dot3（仿立體）凸凹紋理貼圖”。凸凹與紋理貼圖通常是在現(xiàn)有的模型法線添加擾動不同，法線貼圖要完全更新法線。與凸凹貼圖類似的是，它也是用來在不增加多邊形的情況下在濃淡效果中添加細節(jié)。但是凸凹貼圖通常根據(jù)一個單獨的灰度圖像通道進行計算，而法線貼圖的數(shù)據(jù)源圖像通常是從更加細致版本的物體得到的多通道圖像，即紅、綠、藍通道都是作為一個單獨的顏色對待。法線貼圖通常有兩個變體，即物體空間與tangent-space法線貼圖，它們的不同之處在于法線測量與儲存所用坐標系統(tǒng)。

這項技術的一個有趣的應用是使用高分辨率模型的法線貼圖表大幅度地提高low poly低面模型的顯示效果。盡管這種利用該分辨率模型細節(jié)創(chuàng)建位移貼圖取代非均勻有理B樣條的方法早在1996年由Krishnamurthy與Levoy在Proc. SIGGRAPH 1996的文章“在密集多邊形網(wǎng)格上使用光滑曲面”中已經(jīng)提出，但是直到后來才開始用到更加普通的三角形網(wǎng)格。1998年另外兩篇論文提出了從高分辨率向低分辨率多邊形網(wǎng)格轉換細節(jié)作為法線貼圖的論文：Cohen et al.在SIGGRAPH 1998的“保留外觀的簡化”以及Cignoni et al. IEEE Visualization 98在“在簡化的網(wǎng)格上恢復屬性值的通用方法”。第一篇論文提出了一個特殊的約束簡化算法，在化簡過程中跟蹤如何將丟失的細節(jié)映射到簡化的網(wǎng)格。第二篇論文提出了分離高低精度多邊形網(wǎng)格的簡單方法，以及不受低精度模型構建方法影響的丟失細節(jié)恢復方法。后一種方法及其變體目前仍然是目前大多數(shù)可用工具使用的方法之一。

在制作3D游戲時，我們常常遇到這樣一個問題：一個平面，這個平面在現(xiàn)實中并不是一 個“平”面，例如磚墻的表面帶有石質浮雕等等。這種情況下如果只是簡單的做一個平面，則讓人感覺嚴重失真。而如果用很密集的三角形去表示這類略有凹凸的表面，則性能上大大下降。研究人員發(fā)現(xiàn)，人眼對物體的凹凸感覺，很大程度上取決于表面的光照明暗變化，如果能通過一張貼圖在一個平面上表現(xiàn)出由凹凸造成的明暗變化，則可以讓人眼感覺這個平面是凹凸不平的（雖然這個平面還是平的）。法線貼圖正是為了這個目的而產(chǎn)生的。準確的說，法線貼圖是Bump Mapping（凹凸貼圖）的其中一種。第一個Bump Mapping由Blinn在1978年提出，目的是以低代價給予計算機幾何體以更豐富的表面信息。30年來，這項技術不斷延展，尤其是計算機圖形學成熟以后，相繼出現(xiàn)了不少算法變體，法線貼圖就是其中很重要的一種。法線貼圖中存儲的法線最初是定義在世界空間中，但在實際中，這種方式很少見，因為只要物體移動，法線貼圖則不再有效。另一種方式就是將法線存儲在物體的局部空間中，物體可以進行剛體變換（平移，旋轉，縮放），法線貼圖依舊有效，但是這種方法并不能應對任何方式的變換，并且法線貼圖不能在不同物體進行復用，增加了美工的負擔。所以，現(xiàn)在現(xiàn)在普遍采用的解決方案是將法線存儲在切線空間中。

簡單的來說，切線空間可以理解為紋理空間的u，v方向和法向量n，這3個方向構成了切線空間，一般使用T、B和N表示。

在三維設計的制作流程中，法線貼圖經(jīng)常由高低模的烘焙產(chǎn)生。通過對比高模和低模的差異，生成法線貼圖，在運行時使用法線貼圖+低模即可表現(xiàn)出接近高模的效果，但是大大降低了顯卡的負擔。計算法線貼圖的算法在常見的三維軟件已經(jīng)普及，美術人員只需針對同一個模型制作一個高模和一個低模，烘焙出一張法線貼圖，在游戲中使用低模+法線貼圖即可。當然法線貼圖也不是萬能的，它也有它的缺點。因為它只是改變了物體表面的光照計算方式，所以它不適合用在凹凸起伏較大的物體上，這些物體會有遮擋的效果，這是法線貼圖無法實現(xiàn)的。這種情況我們通?？梢酝ㄟ^置換貼圖去實現(xiàn)。

綜上所述，在三維制作流程中，法線貼圖（Normal Mapping）在節(jié)約計算資源的前提下，為我們提供了一種增加材質細節(jié)的方法，可以在使用低模時模擬高模的渲染效果，在次世代游戲和影視動畫的渲染中都有廣泛的應用領域，值得我們深入研究和使用。

參考文獻：

[1] Krishnamurthy V ， Levoy M . Fitting smooth surfaces to dense polygon meshes[C]. Proceedings of the 23rd annual conference on Computer graphics and interactive techniques，1996.