【引言】

? ? ? ?上一篇談到C4D的凹凸貼圖及其應(yīng)用。最后說(shuō)道，在現(xiàn)實(shí)使用中，尤其是在游戲引擎中，很少有使用凹凸貼圖的，基本上都支持法線貼圖。這是為什么？我在自學(xué)的時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題也困惑很長(zhǎng)時(shí)間，看來(lái)很多CG書，基本上到關(guān)鍵的地方就沒(méi)了，非常不解渴。我想作者也許也沒(méi)有搞懂，他可能也不是太懂圖形學(xué)，反正用就是了。這一篇，我就和初學(xué)者分享一下，我所理解的法線貼圖原理以及如何應(yīng)用。不一定正確，拋磚引玉吧

（我的磚可沒(méi)少扔，但沒(méi)得到一塊玉?。。?/p>

凸凹效果只能獲得一種紋理細(xì)節(jié)，而法線貼圖則可以改變幾何體的光照模型，盡管模型的幾何外形不會(huì)改變。

【研究】

一、法線貼圖的的原理：

■法線貼圖（Normal map）

首先研究基于世界坐標(biāo)的法線貼圖(world space normal map)，雖不常用，但是基礎(chǔ)。法線貼圖是用來(lái)記錄物體表面不同的入射點(diǎn)的法線矢量的圖像數(shù)據(jù)信息。它是用一個(gè)RGB彩色圖像來(lái)記錄不同點(diǎn)的法線XYZ坐標(biāo)數(shù)據(jù)的。規(guī)則是R通道記錄X軸的數(shù)據(jù)，G通道記錄的是Y軸數(shù)據(jù)，B通道記錄的是Z軸的數(shù)據(jù)。

法線貼圖的出現(xiàn)，是為了低面數(shù)的模型模擬出高面數(shù)的模型的"光照信息"。（前幾篇談過(guò)，低模+法線貼圖增加模型表面細(xì)節(jié)的優(yōu)化方法）光照信息最重要的當(dāng)然是光入射方向與入射點(diǎn)的法線夾角，法線貼圖本質(zhì)上就是記錄了這個(gè)夾角的相關(guān)信息，光照的計(jì)算與某個(gè)面上的法線方向息息相關(guān)。

1、下圖是說(shuō)：用烘焙的方法，把高模表面的光照信息（法線方向）和低模進(jìn)行“映射”計(jì)算，再通過(guò)烘焙方法把XYZ坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到一個(gè)圖像的過(guò)程。

2、下圖是說(shuō)：渲染器從低模的材質(zhì)中讀出法線貼圖，然后把法線貼圖每點(diǎn)的RGB圖像信息轉(zhuǎn)化為XYZ法線方向，還原高模的表面信息。也就是說(shuō)，有了法線貼圖，渲染器不管真實(shí)的低模是什么 樣子，它就相信法線貼圖的光照信息。這就是一個(gè)很好的視覺(jué)魔術(shù)。

■法線貼圖的分類：

1、world space normalmap：如果這個(gè)法線方向，是處于世界坐標(biāo)中的(world space)，那稱為world space norma。渲染器從貼圖里解壓出來(lái)后，就可以直接用了，效率很高。但是有個(gè)缺點(diǎn)，這個(gè)world space normal 是固定了，如果物體沒(méi)有保持原來(lái)的方向和位置，那原來(lái)生成的normal map就作廢了。

2、object space normamap：如果是處于物體本身局部坐標(biāo)中的，那稱為object space normal。它從貼圖里解壓，還需要乘以model-view矩陣轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)，或者轉(zhuǎn)換到其他坐標(biāo)取決于計(jì)算過(guò)程及需求。object space normal生成的貼圖，物體可以被旋轉(zhuǎn)和位移，基本讓人滿意。但仍有一個(gè)缺點(diǎn)，就是一張貼圖只能對(duì)應(yīng)特定的一個(gè)模型，模型不能有變形(deform)。

3、tangent space normal map：

在object space的基礎(chǔ)上，高模上object space內(nèi)的某點(diǎn)法線(不會(huì)是world space的,否則旋轉(zhuǎn)就露相)，乘以這個(gè)矩陣，即得到tangent space內(nèi)的法線方向，再把這個(gè)值映射到rgb空間，存為貼圖。

O-TBN =

現(xiàn)在我們可以分析為什么tangent space法線貼圖是偏藍(lán)色了，因?yàn)閷?duì)于高模上的面來(lái)說(shuō)，因?yàn)榫忍?面很小,而且周圍的面相對(duì)它的方向很平滑)，所以這個(gè)面渲染時(shí)計(jì)算機(jī)認(rèn)為這個(gè)面的"彎曲"程度很小，即面上各個(gè)點(diǎn)插值得來(lái)的法線相互間偏差很小，基本跟整個(gè)面的垂直方向不會(huì)差太多。因此在tangent space里，這些法線都跟z軸偏差較小，而z軸是被保存在貼圖里的B(藍(lán)色通道)里,所以貼圖顯示出來(lái)的顏色就偏藍(lán)了。

總之，world space norma 好用，但是要求最高；object space normamap不錯(cuò)，要求不能變形；tangent space normal map：最佳，旋轉(zhuǎn)、變形都可以，最常用。tangent space normal map適應(yīng)變形的這種能力，使它不僅能夠應(yīng)用在原來(lái)的模型上，甚至可以應(yīng)用在變形嚴(yán)重的不同模型上。即法線貼圖有一定的脫離原來(lái)模型使用的能力。比如你模擬出了一個(gè)高精度的粗糙花崗巖平板表面，得出的法線貼圖可以應(yīng)用到圓柱模型上邊。

二、法線貼圖的制作方法：

如何得到法線貼圖呢？有三種方法：

一是從高模到低模的烘焙，這是最準(zhǔn)確的。

二是從一張圖片轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)，實(shí)際上就是把彩色的RGB轉(zhuǎn)化為灰度圖（凹凸貼圖），又從凹凸貼圖存儲(chǔ)的表面光照信息轉(zhuǎn)化為以RGB形式存儲(chǔ)的法線貼圖。這用方法可用，但不準(zhǔn)確。

三是繪制法線貼圖。沒(méi)有人能直接用畫筆“直接”畫出法線貼圖，必須通過(guò)軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)化而來(lái)，這種方法就是靈活自如。下面簡(jiǎn)單介紹法線貼圖的三種制作方法，供大家參考。

Ⅰ、從高模烘焙而來(lái)

我最喜歡的烘焙軟件就是xNormal。我在《一塊石頭-4》中說(shuō)明了如何做。

xNormal的使用非常簡(jiǎn)單，它要求：

一是必須有一個(gè)高模和一個(gè)低模（OBJ格式）；

二是低模的模型必須分好UV。

為了加強(qiáng)認(rèn)識(shí)，我再簡(jiǎn)單舉個(gè)例子。

■實(shí)例：制作一個(gè)凹凸的木門

1、制作一個(gè)立方體，90、210、3 一個(gè)正常門的尺寸。起名為DOOR，按C轉(zhuǎn)化多邊形。

2、重新展開DOOR的UV。（默認(rèn)：這六個(gè)面的UV是重合的）

做好以后，以DOOR_LOW.OBJ低模形式導(dǎo)出。

3、然后，選擇面模式，對(duì)一個(gè)面進(jìn)行編輯。這個(gè)很簡(jiǎn)單，不做分析了。

（注意：倒角的時(shí)候，要有一定的坡度，不要完美垂直）

做完以后，再以DOOR_HIGH.OBJ作為高模導(dǎo)出。

4、打開xNormal軟件，添加高模文件。

5、添加低模文件。

6、烘焙設(shè)置，勾選法線和環(huán)境吸收貼圖，設(shè)置好文件夾和生成貼圖的名字。

7、點(diǎn)擊標(biāo)記處，可以進(jìn)一步設(shè)置法線貼圖。該軟件默認(rèn)的“切線”法線模式。（生成的法線一定會(huì)偏藍(lán)的）

8、生成兩張貼圖如下：

9、把DOOR_LOW.OBJ合并到DOOR_HIGH.OBJ的場(chǎng)景中，在低模的材質(zhì)賦予材質(zhì)，并在法線通道載入烘焙的法線貼圖。渲染看看，喲！不錯(cuò)啊。

10、可以增強(qiáng)光影效果，在漫射通道添加環(huán)境吸收貼圖，調(diào)整混合強(qiáng)度，否則邊角接縫處，太暗。

11、下載，分別在兩個(gè)模型材質(zhì)的顏色通道，載入之。

12、渲染。你能分辨嗎？

這種方式，常用在三維游戲中，增加模型表面細(xì)節(jié)，同時(shí)不增加面數(shù)，而欺騙眼球的一種魔術(shù)方法。

補(bǔ)充：

有朋友跟我說(shuō)：C4D的烘焙紋理標(biāo)簽也能從高模向低模烘焙紋理，為什么不講呢？

這是因?yàn)镃4D本身的紋理烘焙在烘焙法線貼圖的功能上比不過(guò)xNomal (人家不僅功能強(qiáng)大，還是免費(fèi))。

C4D烘焙法線貼圖要求高模和低模UV應(yīng)該是一致的。不少人烘焙出來(lái)的法線貼圖不對(duì)，就是因?yàn)镃4D有這一條的限制。它是高對(duì)低在UV統(tǒng)一下的“一對(duì)一”的映射，所以法線不一致，導(dǎo)致錯(cuò)誤。你想，如果你從事高模制作，你注重的是模型細(xì)節(jié)，哪管UV?。Nomal就是這樣好，它在烘焙法線貼圖的時(shí)候，不管高模的UV，你只要把低模的UV分好就行。歸根結(jié)底，還是算法上xNomal有優(yōu)勢(shì)，這也是小軟件能存活的原因：好用，管用。

Ⅱ、從圖片轉(zhuǎn)化而來(lái)

第一種方法：專用軟件轉(zhuǎn)化

我在《一張貼圖搞定》中詳細(xì)介紹過(guò)該軟件使用方法，著重談了如何把一張貼圖轉(zhuǎn)化為法線貼圖。實(shí)際上這種軟件太多了，如Substance Bitmap2Material 、Knald、xNormal。

1、原圖片

2、用CRAZYBUMP進(jìn)行轉(zhuǎn)換

3、轉(zhuǎn)化保存為法線貼圖。

4、在C4D中載入生成的法線貼圖。

5、使用克隆制作一片地磚，光影效果還是說(shuō)得過(guò)去。

第二種方法：用C4D把圖片轉(zhuǎn)為法線貼圖

C4D在法線通道內(nèi)不能直接使用上述彩色圖片，必須通過(guò)一個(gè)特殊功能的Shade進(jìn)行轉(zhuǎn)化，功能比上述專業(yè)轉(zhuǎn)化軟件差一些，要求不高可以用。

1、在顏色和法線通道載入原圖。

2、再添加紋理---效果--法線生成SHADE。

3、點(diǎn)擊進(jìn)入“法線生成”進(jìn)行設(shè)置。加大強(qiáng)度等設(shè)置。

4、渲染也湊合。

Ⅲ、 繪制方法

第一種是C4D繪制法線貼圖方法

C4D的BP 3D PAINT能否繪制法線貼圖呢？我認(rèn)為不太可能，因?yàn)榉ň€貼圖的RGB表示的是數(shù)據(jù)，記錄的是每個(gè)點(diǎn)的法線矢量，我們?nèi)绾沃朗裁搭伾硎裁锤叨饶兀颗c凹凸貼圖完全不同。

1、而這個(gè)BP 3D paint，的確有法線設(shè)置。

2、 我個(gè)人認(rèn)為，它不是用來(lái)讓你繪制的，而是讓你載入一個(gè)烘焙完成的法線貼圖，用來(lái)輔助繪制紋理的。

（這種方法，在SUBSTANCE PAINTER中常用。有了法線貼圖墊底，你一筆畫下去，不僅有顏色，凹凸也出來(lái)了。這個(gè)效果就是法線貼圖在后邊做得貢獻(xiàn)。）

3、如果我們不載入現(xiàn)有的法線貼圖，而是繪制一個(gè)，我們看看。

4、 隨便繪制一些圖案。

5、球體上并沒(méi)有顯示什么，渲染也沒(méi)有什么。

6、我們看材質(zhì)，法線通道的確載入這個(gè)新繪制的紋理，似乎沒(méi)有效果。

7、通過(guò)上邊所講，我們知道如何把一張圖片在C4D轉(zhuǎn)化為法線貼圖。

具體做法是：為這個(gè)新繪制的紋理，再添加一個(gè)紋理---效果--法線生成SHADE。

8、 轉(zhuǎn)到BP 3D PAINT界面 并沒(méi)有什么顯示，但是，當(dāng)你按SHIFT+R 或者 CTRL+R 渲染時(shí)，效果出現(xiàn)了。

總之，我個(gè)人認(rèn)為：在C4D中如果要繪制凹凸效果，最好還是使用凹凸貼圖，實(shí)時(shí)而且可控。（凹凸貼圖和法線貼圖記錄法線方式不一樣，渲染計(jì)算不一樣，在C4D內(nèi)，對(duì)于普通渲染計(jì)算，個(gè)人認(rèn)為沒(méi)有什么太大區(qū)別。）

第二種是NDO插件繪制

Ndo是QUIXEL SUITE的一個(gè)功能模塊，原來(lái)是獨(dú)立的PS一個(gè)插件，專門用來(lái)繪制法線貼圖的，功能十分強(qiáng)大和好用。下面我簡(jiǎn)單地展示一下它的用法。

1、在C4D建立一個(gè)立方體（門），尺寸：90、210、3CM。

2、展開它的UV

3、烘焙它的法線貼圖，添加烘焙紋理標(biāo)簽，設(shè)置如下：

4、第二頁(yè)設(shè)置如下：（不需要高模）

5、啟動(dòng)該軟件。它自動(dòng)打開PHOTOSHOP，畢竟它是NDO的宿主??！

這個(gè)軟件支持PBR物理貼圖繪制的。

6、工具條非常小。N是NDO繪制法線；D是DDO繪制紋理；3是3DO三維觀察窗口

7、點(diǎn)擊NDO，出現(xiàn)下面窗口，讓你建立一個(gè)項(xiàng)目。

8、點(diǎn)擊它創(chuàng)建項(xiàng)目，又打開一個(gè)窗口。載入C4D創(chuàng)建的模型和法線貼圖，點(diǎn)擊下面建立項(xiàng)目。

9、點(diǎn)擊圖板上的轉(zhuǎn)化，把法線貼圖轉(zhuǎn)化一下。經(jīng)過(guò)一陣運(yùn)算后，項(xiàng)目建立好了。

再點(diǎn)擊圖標(biāo)3，打開三維顯示，看到了這個(gè)門的模型。

10、注意：NDO能把選擇區(qū)、鋼筆繪制圖案、外載入圖片等轉(zhuǎn)化為法線貼圖，厲害吧！

下面，新建一個(gè)圖層，我們用選擇工具畫一個(gè)下面的螞蟻線。（按SHIFT鍵矩形加圓形）

11、NDO面板自動(dòng)識(shí)別，選取轉(zhuǎn)化法線，在中間點(diǎn)擊它。

12、經(jīng)過(guò)一陣運(yùn)算，生成法線貼圖。在3DO窗口看看。

13、NDO生成法線貼圖以后，轉(zhuǎn)換成新的面板，讓你調(diào)試更改。比如是凹還是凸等，以后再細(xì)談吧。

14、用圓角矩形工具繪制，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)化按鈕。

15、SLANT選擇凹下，CURVE選擇曲線。

16、再?gòu)耐廨d入一個(gè)圖片文件，清除外邊，保留圓形部分，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)化。

17、在繪制一個(gè)矩形選取，填充漸變，然后向下一次復(fù)制。點(diǎn)擊轉(zhuǎn)化。

18、打開3DO看看效果。然后，點(diǎn)擊PS 文件導(dǎo)出NORMAL.PSD輸出貼圖文件。

19、在C4D中，建立一個(gè)材質(zhì)，在材質(zhì)的法線通道載入這個(gè)法線貼圖文件。

20、在材質(zhì)顏色通道載入一張木紋紋理。渲染一下，效果還可以。

（如果你認(rèn)為不太好，不是軟件的事情，是我的技術(shù)太差，做得匆忙的原因）

【后記】

? ? ? 每次不忙的時(shí)候，就用電腦趕緊打開三倆個(gè)軟件，然后截圖，編寫，保存。有事的時(shí)候，就又忙別的去了，所以每次編寫的時(shí)候，都十分匆忙，錯(cuò)字不少。退休就好了，心靜不下來(lái)??！

【感悟】

? ? ? ? 每一個(gè)熱愛(ài)CG的人，剛剛?cè)腴T的時(shí)候，就是憑著有一股熱情，義無(wú)反顧地堅(jiān)持學(xué)習(xí)。其實(shí)，在自學(xué)的時(shí)候，幾乎都是一邊學(xué)習(xí)軟件的，一邊學(xué)習(xí)涉及的相關(guān)理論知識(shí)。比如當(dāng)時(shí)學(xué)習(xí)法線貼圖和凹凸貼圖的時(shí)候，總是不懂，為什么要用它們，在模型制作的時(shí)候，多加一些面，制作出細(xì)節(jié)不就可以了嗎？后來(lái)，看了很多書，詢問(wèn)很多人，都沒(méi)有解釋，稀里糊涂就這么使用了2年，后來(lái)涉及游戲領(lǐng)域，才明白這是為了節(jié)約計(jì)算資源，即保證顯示效果，又要提高渲染速度而想出來(lái)的一個(gè)解決辦法而已。后來(lái)又想既然法線貼圖和凹凸貼圖效果如此相似，為什么要有兩個(gè)??？慢慢學(xué)才知道原來(lái)它們都是記錄模型表面法線方向的，只是不同的記錄算法。但為什么在游戲引擎中一般都支持法線貼圖？這是因?yàn)榉ň€貼圖在使用的時(shí)候，比凹凸貼圖效率更高，占用內(nèi)存小，而且解算得更快，（這個(gè)以后有機(jī)會(huì)再詳談）所以，如果渲染靜幀圖片的時(shí)候，用法線和凹凸貼圖，哪個(gè)都無(wú)所謂。如果在游戲中，強(qiáng)調(diào)的是渲染速度，要求對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行徹底的優(yōu)化，當(dāng)然選擇效率更高的法線貼圖了。

? ? ? ?隨著你深入學(xué)習(xí)，你的問(wèn)題應(yīng)該越來(lái)越多，推動(dòng)你不斷地走向深入。當(dāng)然，興趣是源動(dòng)力。否則，你會(huì)停留在會(huì)用就行了的層次上。是不是這個(gè)道理呢？