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

Cube Shadow Map

為了提供點光源的陰影處理, 嘗試實作了CubeShadowMap. 做法主要是參考Nvidia SDK 9.51裡的Virtual Shadow Depth Cube Textures範例. 這個範例其實主要是實作了把CubeMap 展開成一個2D Depth Map的技巧, 透過這個方法, 就可以使用到nvidia硬體處理shadow map的功能了..該範例也實作了對照組, 就是最原始的Cube Shadow Map的做法. 目前實作的就是這個方法. 等之後有空在實作Nvidia的方法.

秀一張目前實作結果. 場景內只有一個點光源, Cube Shadow Map的格式是1024x1024 RG16F , 沒有作柔化shadow的處理.