Normal map[結語]

這次仔細研究normal map的製作，算是把整個normal map完全了解了。把整理的心得放在這邊除了是做紀錄外，也是想說透過這個方式把心得分享出來，可以對其他人有幫助。希望這不是野人獻曝 :)

Normal map[參考資料]

技術文件

• Bump map compression
• Normal map compression with 3Dc

相關工具

• Zbrush官方網站
  有免費試用版本可下載，可是功能有限，可以拿來先熟悉了解一下雕塑功能。
• Mudbox
  有完整功能15天試用版本供下載。
• Nvidia Photoshop plugin ( Normal map filter & DDS importer/expoter)
• Normal map filter說明文件
• ATI the Compressornator (DDS& 3Dc generator)

normal map製作

• Normal map製作設定 (產生Y-up的normal map)
• Normal map製作心得 : Create Next Generating Materials for Lair
• Normal map製作心得2: Normal and Displacement Map, Sitting In A Tree
• Normal map製作心得3 (Maya + Mudbox)

Normal map[壓縮]

現在的3D遊戲幾乎都使用DDS的壓縮材質，主要原因是壓縮效率品質都不錯。可是normal map直接壓縮為DXT1~5這些格式, 效果都很不好。於是研究了一下目前一般常用的技術。

大致上目前使用的技術都是只儲存X/Y值，而Z值都在pixel shader裡面計算..

Z = sqrt( 1 – x*x – y*y)

這樣的方式有些限制：

• 必須是tangent space normal map。因為在world/object space下，Z有可能是正值或是負值，這個做法只能取正值(或是只取負值)。
• normal必須是normalize 的。一般我們會希望normal 都是normalize，所以不算很大的限制。
• pixel shader版本必須是1.4以上。

這個方式下有幾個常用的normal map格式：

• 使用V8U8/CxV8U8格式：效果和R8G8B8的normal map一樣好。但壓縮率還不夠好，只能壓縮到2/3。
• 使用Swizzled DXT5格式：基本上還是DXT5格式，但是把X值放到A，把Y值放到G，R/B channel可忽略，理由是DXT5壓縮特性使得A/G channel壓縮品質比較高。品質會比直接把DXT5存XYZ的方式好很多。
• 使用3Dc：這目前只有AMD(ATI)的GPU支援。效果應該比Swizzled DXT5好。(由於手邊沒有ATI的卡，所以無從比較)

下圖是測試比較圖，可以看出Swizzled DXT5效果還不錯說

簡單說明一下如何使用NVIDIA Photoshop plugin製作這些壓縮格式的方式：

• V8U8/CxV8U8格式：選擇V8U8/CxV8U8格式輸出。
• Swizzled DXT5：選擇DXT5_NM格式輸出。
• 3Dc：無法輸出。目前只有ATI支援，所以只能透過AMD(ATI)的工具The Compressornator輸出。

Normal map[製作]

normal map的座標系確定後，接下來整理一下normal map的製作方式。

一般製作normal map的方式大概有以下幾種：

1. 製作 bump map轉normal map
2. 製作高面數物件以及低面數物件來產生 normal map。
3. 拍照法

第3的方法可參考 http://zarria.net/nrmphoto/nrmphoto.html。以下針對1, 2做法做個說明。

製作bump map轉normal map

製作bump灰階高低圖透過轉換工具產生normal map。這個方法只適合產生tangent space的normal map。製作的流程如下：

• 製作bump圖。圖必須是RGB channel, 長寬必須是2的冪次方。
• 使用normal map轉換工具產生Y-up的normal map

NVIDIA Photoshop Normal map filter plug-in

紅色框的Invert-Y一要勾選, Wrap建議勾選

以下是試做bump map轉normal map的試做結果

製作高面數物件以及低面數物件來產生 normal map：

這個做法就是製作高面數的物件, 把高面數的normal 儲存成normal map。目前美術人員常使用的 3ds max, Maya, XSI等軟體都有內建高面轉低面數的工具，所以都可以使用這些工具製作高面數模型來轉換輸出。不過現在 Zbrush/Mudbox 這類 3D建模軟體的出現，使得 normal map 的製作更有效率。以下說明的是使用Zbrush/Mudbox軟體轉normal map的製作方式.。

使用ZBrush

製作的流程如下：

1. 先用3DS max、Maya、XSI等等製作遊戲使用的低面模型，並把UV拆好。ZBrush會使用同樣的UV資料來產生normal map。
2. 輸出OBJ格式。
3. 在ZBrush 使用Tool->import 載入OBJ檔案。
4. 使用ZBrush 製作物件細節。
5. 使用ZMapper工具產生normal map：
   產生Y-up的normal map設定方式如下圖所示:

   

   注意圖中紅色框框：
   

   Tangent space N.Map 必須勾選，才能產生tangent space的normal map。

   Flip Image Vertically 必須勾選。

   Interpolate/RayTrace : 計算normal map的方式, Interpolate 比較快，Ray Trace會比較慢。理論上ray trace品質應該會比較好才是。

   其他參數使用預設值。
   

   直接開啟ATI/Maya/NVIDIA tangent space設定檔也可以產生Y-up的normal map。
6. 在Texture介面export normal map輸出檔案。
   
   

以下是使用ZBrush製作normal map試做的結果：

使用Mudbox

製作方式與Zbrush差不多，也是製作低面模型輸出OBJ檔案到mudbox製作細節。不過目前測試的結果發現mudbox產生normal map的 Texture Baking工具 效果不是很理想，所以看到網路上一些美術好手的做法是將高面數的物件匯出OBJ檔案，再使用3DS MAX/Maya/XSI透過高低面產生normal map的工具來產生normal map。3DS MAX/Maya/XSI 產生Y-up 的normal map設定可參考http://sd-art.wikispaces.com/normalMapping

Normal map[規格制定]

normal map是使用RGB來儲存normal 的XYZ向量值，所以必須定義normal儲存的座標系。座標系就包括了world/object/tangent space，其中還分成左/右手系統。不同的座標系統在處理lighting計算時候會需要不同的處理方式, 因此程式人員需要制定normal map所在的座標系，才能夠正確的處理normal map效果。

目前最常使用到是tangent space的normal map．它的優缺點如下：

優處：

• 可以共用normal map貼圖（不同物件間的共用或是mirror物件共用）。

• 目前一些normal map壓縮技術也只能使用tangent space的normal map (這部分在normal map壓縮會詳細說明) 。

缺點：

• 需要 vertex normal/tangent的資料, 在計算lighting時候, 需要多處理一些座標轉換.處理。

World space/object space的優缺點和tangent space正好相反，所以某些狀況下或許使用world/object space的normal map 會比較好。

不過我目前只打算使用 tangent space的normal map. 對object space下的normal map有興趣的可看http://www.3dkingdoms.com/tutorial.htm

選定了tangent space, 接下來是要使用左手還是右手系統呢?

下圖是目前常見的兩種 tangent space 座標系統的圖示, X軸都面向右邊, Z軸都往螢幕外方向, 而Y軸向上或是向下.

下圖是兩個系統下normal map的比較.

可以發現左手系統XYZ(0, 1, 0) 或是RGB(128, 255, 128)是指向下方，右手系統是指向上方。在網路上搜尋了一下，似乎沒有人以左手右手系統來區分這樣的差別，只有提到Y向上或是Y向下。所以以下內容就是以Ｙ向上系統(Y-up)或是Y向下系統稱呼(Y-down)。

目前我是決定使用Y-up為normal map的座標系統。當然這只是一個規格制定時的選擇，重點還是在於產生normal map工具的設定是否可以輸出符合規格的normal map。

Normal map[前言]

normal map是目前3D遊戲最常使用的技術之一。之前參與過的專案有嘗試使用normal map，但是由於程式人員對normal map技術沒有完全了解，以及美術人員無法負擔因為製作normal map所帶來的的製作量，最後也就放棄了這個技術。

最近花了一些時間仔細研究一下normal map的製作規格以及製作方式。以下分成幾部分做個歸納整理：

1. normal map規格制定
2. normal map製作
3. normal map壓縮
4. normal map參考資料
5. normal map結語