數(shù)字三維模型法線貼圖技術(shù)在影視特效中的應(yīng)用

劉官鎮(zhèn)

摘 要：現(xiàn)代電影、電視作品不斷發(fā)展，特效已經(jīng)成為重要的一部分，影視作品借助特效達(dá)到表現(xiàn)效果，并且特效節(jié)約環(huán)保，不需要一些現(xiàn)實(shí)的布景等。數(shù)字三維技術(shù)使用多媒體計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)、造型等，建立三維物體造型，達(dá)到真實(shí)的效果。在數(shù)字三維的創(chuàng)作中，創(chuàng)作效率越高，往往不能保證畫(huà)面效果的質(zhì)量。一些制作人員為提高創(chuàng)作效率，減少場(chǎng)景的網(wǎng)格面數(shù)，利用高模產(chǎn)生的法線貼圖信息，與低模對(duì)應(yīng)，使高精度的模型細(xì)節(jié)能夠保留。法線貼圖的作用，就是在高效率下，也能避免畫(huà)面質(zhì)量的流失。

關(guān)鍵詞：數(shù)字三維模型;法線貼圖技術(shù);影視特效

自電視、電影藝術(shù)誕生開(kāi)始，創(chuàng)作者們就不斷探索，尋求突破，提升影音質(zhì)量，為觀眾呈現(xiàn)更好的視覺(jué)效果，或者一些匪夷所思的畫(huà)面。電視、電影不僅傳達(dá)思想和情感，其震撼的視覺(jué)效果也容易給觀眾留下深刻的印象。最早的科幻片主要依賴特效技術(shù)，早期技術(shù)有限，耗時(shí)耗力?，F(xiàn)代視覺(jué)特效技術(shù)不斷進(jìn)步，甚至達(dá)到以假亂真的效果。但一個(gè)短的幾秒的特效鏡頭，往往需要花費(fèi)十幾天甚至更久的時(shí)間。在影視制作中，特效已經(jīng)廣泛應(yīng)用，優(yōu)秀的特效鏡頭，需要嚴(yán)密的設(shè)計(jì)和計(jì)劃，高水平的處理技術(shù)。法線貼圖技術(shù)是一種虛擬3D技術(shù)，是目前先進(jìn)的凹凸表現(xiàn)技術(shù)。法線貼圖技術(shù)使用藍(lán)色、紫色，表示相應(yīng)的凹凸信息。而過(guò)去只是黑白的信息。法線貼圖技術(shù)中的模型，在光的照射下，凹凸信息有相應(yīng)的陰影、高光。模型的多邊形數(shù)量并不改變，也能獲得多邊形的細(xì)節(jié)，在游戲引擎程序中，應(yīng)用廣泛。

一、法線貼圖定義

法線（Normal）是一種直線，垂直于一個(gè)面，其工作原理的基礎(chǔ)是燈光照亮三維模型。利用法線，可以幫助確定多邊形面的朝向?；灸Ｐ捅砻娴姆ň€方向，決定燈光的照射效果。直線朝面的方向是正方向，法線的指向稱(chēng)為法線矢量。法線矢量與光源矢量之間的夾角，決定在該點(diǎn)上模型的明暗程度。法線貼圖技術(shù)是以特定的數(shù)據(jù)源圖像通道信息為參考，添加單一的面的細(xì)節(jié)，或者低精度多邊形模型的細(xì)節(jié)[1]。在三維軟件中，也是采用這種方式制作凹凸方法的效果。法線貼圖技術(shù)十分精確，將 R、G、B 三通道，作為單獨(dú)的顏色。而傳統(tǒng)的凹凸貼圖，依據(jù)一個(gè)圖片的灰度信息計(jì)算。相比凹凸貼圖，法線貼圖的實(shí)現(xiàn)效果更佳，能夠有效展現(xiàn)細(xì)節(jié)?；叶戎荡嬖诓町悾瑢?duì)低模表面法線偏移的程度有明顯的影響。R、G、B 三個(gè)通道中，均有一致的表現(xiàn)。藍(lán)色通道是物體邊緣到內(nèi)部的黑白漸變。綠色通道是在垂直方向，發(fā)生黑白漸變。紅色通道是在水平方向，出現(xiàn)黑白漸變[2]。利用光照的方法，形成Normal，就是切線的 Normal。通常在低模創(chuàng)作中，會(huì)使用法線貼圖，目的是表現(xiàn)高精度模型的細(xì)節(jié)。法線就是一個(gè)向量，對(duì)高精度模型表面傾斜進(jìn)行記錄。法線信息都記錄在法線貼圖的每個(gè)像素中。

二、法線貼圖的形式

法線貼圖的形式有切線空間（Tangentspace），以及物體空間（Objectspace）。目前行業(yè)內(nèi)運(yùn)用比較廣泛的，是切線空間的方式。切線空間適合角色的創(chuàng)建。使用切線空間的模型，能夠隨意變形或者移動(dòng)。將法線的位置變化，使用RGB色彩信息進(jìn)行描述。Z軸為模型表面的垂直方向。UV 坐標(biāo)在表面紋理，兩個(gè)方向一個(gè)是X 軸，一個(gè)是Y 軸。一張紋理中任意保存一個(gè)法線，RGB 三通道出現(xiàn)無(wú)法對(duì)應(yīng)取值的情況，因?yàn)槭秦?fù)值。因此，壓縮XYZ 中法線投影長(zhǎng)度，范圍為0到1。然后存儲(chǔ)。相對(duì) X 軸與 Y 軸，Z 軸變化更大，因此，RGB 三通道中，有更多的藍(lán)色的信息，顯示為貼圖，其顏色就偏藍(lán)[3]。物體空間也稱(chēng)為是世界空間，或者區(qū)域空間，可以區(qū)域空間產(chǎn)生較高品質(zhì)的曲率。低解析度模型的平滑，在物體空間中完全忽略。但使用物體空間，需要維持模型原始的方位，不能變形，不能旋轉(zhuǎn)。在游戲中，物體空間沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。因此，物體空間應(yīng)用很少，貼圖顏色是彩色的。

三、法線貼圖技術(shù)實(shí)際應(yīng)用分析

本次研究中，對(duì)法線貼圖技術(shù)進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用，比較分析法線貼圖的價(jià)值與意義。使用花盆造型中的兩個(gè)版本，分析工作流程。第一，準(zhǔn)備高精度模型、低精度模型兩組。先制作低精度模型，然后展開(kāi)UV。將雕刻筆刷工具M(jìn)udbox導(dǎo)入。雕刻細(xì)節(jié)后，形成高精度模型?；蛘呦鹊窨讨谱鞲呔饶Ｐ?。然后處理，形成低精度模型[4]。本次模型制作，首先創(chuàng)建低精度模型，然后雕刻細(xì)節(jié)，形成高精度模型。第二，兩個(gè)模型的外觀上不能相差太多，將兩個(gè)模型對(duì)齊在一起。第三，在菜單中，使用Render to texture命令，RenderSetting主要設(shè)定渲染引擎。區(qū)塊中設(shè)定貼圖輸出的路徑是GeneralSettings。比如設(shè)定物體貼圖存儲(chǔ)輸出是Objects to Bake，是重要的參數(shù)設(shè)置區(qū)域。選擇Projection Mapping中的Pick按鈕，對(duì)低精度模型操作，出現(xiàn)需要投射高模對(duì)象。在Modify修改編輯面板中，有Projection，能夠?qū)Ω呔饶Ｐ捅砻娴陌纪剐畔⑦M(jìn)行抓取。設(shè)定輸出的貼圖區(qū)，在Output區(qū)域中。需要使用Add按鈕。要?jiǎng)?chuàng)建輸出圖片的類(lèi)型，使其為法線貼圖，選擇NormalsMap進(jìn)行設(shè)置。在下方有相應(yīng)的設(shè)置格式、名稱(chēng)等等。Objects to Bake區(qū)域中，有設(shè)置由Max自動(dòng)展開(kāi)UV，或者使用原有UV信息，通過(guò)Mapping Cordinates進(jìn)行設(shè)置。貼圖的使用頻道是Channel。最后，系統(tǒng)自動(dòng)展開(kāi)UV的功能項(xiàng)，進(jìn)行設(shè)置時(shí)，在Automatic Mapping區(qū)域。但首先要在Mapping Cordinates中，設(shè)置Use Automatic Unwrap。第四，要認(rèn)真調(diào)整低精度模型的外邊框，使其能夠?qū)⒏呔饶Ｐ屯暾黐5]。投射高精度模型的細(xì)節(jié)，必須有合適的投射框，能夠完整投射，使低精度模型應(yīng)用。第五，在對(duì)象中應(yīng)用法線貼圖。原物體材質(zhì)已經(jīng)變化。在材質(zhì)編輯面板，Bump凹凸貼圖屬性增加法線貼圖命令Normal_Bump。進(jìn)入屬性中，生成的法線貼圖效果就可以看到。第六，通過(guò)渲染，最終完成。

總之，法線貼圖不僅可以展示物體模型表面的顏色、光澤、紋理等，并且能夠提升模型的視覺(jué)效果，以及模型的質(zhì)量。實(shí)質(zhì)上，法線貼圖技術(shù)是凹凸貼圖技術(shù)的拓展，是次世代模型優(yōu)化技術(shù)的核心，能夠涵蓋大量的表面細(xì)節(jié)信息，以及各個(gè)像素的高度值。法線貼圖的品質(zhì)與模型 UV 的拆分密切相關(guān)。高精度模型能夠提供法線的細(xì)節(jié)，不需要拆分 UV。在模型的制作中，相比單純的 Extrude，Bevel 倒角效果更佳。傳統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)UV重疊。法線貼圖中可以移到半物體 UV軸，到0-1 空間之外，避免重疊 UV。在計(jì)算烘焙法線貼圖前，避免刪除模型對(duì)稱(chēng)的另一半。在影視行業(yè)，尤其是游戲行業(yè)，法線貼圖技術(shù)應(yīng)用廣泛，具有較高的價(jià)值，能夠帶來(lái)高效的質(zhì)量，并且不會(huì)丟失細(xì)節(jié)，創(chuàng)作者需要注意使用平臺(tái)和創(chuàng)作手段的完美結(jié)合。

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