MAYA中法线贴图的应用的综述

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最近搜集了不少资料和试验，打算把MAYA中法线贴图（NORMAL MAP）的相关信息综合一下并且心思一下思路。慢慢来！：）
法线贴图（NORMAL MAP）是一种较新的贴图技术，类似于BUMP MAP，通过对模型表面的法线的矫正来用以表现模型的细节与纹理，其效果比后者要好，能达到BUMP MAP所达不到的效果，但是其并不能真正的在模型表面产生细节，相对于DISPLACEMENT MAP而言，又不如其满意。而且其制作和应用很麻烦，问题也很多，所以这种技术CG中并不常用，不过，在游戏中却有相当的发展空间。其他不多说了，先来看个图：

为什么同一个模型（10*10段的多边形球体）会出来两种效果，我使用了SOFTEN/HARDEN EDGE命令来柔化了右边的模型边，这样看起来就圆滑了很多！
我现在打开了CUSTOM POLYGON DISPLAY OPTIONS，显示出来法线来看看区别：

模型的法线有两种：点法线和面法线。面法线是在面中心发出，表示面的方向；而点法线是从点发出的，取决于点周围的面的方向，左右模型的区别说明了SOFTEN/HARDEN EDGE命令工作原理。同时也NORMAL MAP的基础。（其实还有一种：UV COODINATE NORMAL。但MAYA中似乎没有这个概念，这个东东是在NORMAL MAP应用中许多问题产生的根源，这里暂不讲述）

下面我们开始。建立一个POLYGON球体，参数如下。
然后再复制出一个隐藏。

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对这个球体平滑2次后，用雕刻工具作出一些细节。

打开HYPERSHADE，赋予这个球一个新的LAMBERT材质。
再建立一个SAMPLEINFO和SETRANGE节点，作如下连接：

这样我们把这个球的法线与摄象机信息输入，将其输出到物体材质的COLOR上，这里我的材质选择了SURFACESHADER，这并不重要。只是为了方便观察效果。

调节参数：我们将法线变量转化为颜色值，需要重新定义取值区间，由[-1，1]转化为[0，1]。

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颜色改变，但是你会发现硬件显示的颜色与渲染的颜色不一样！
这可是个问题的关键！而且不管你如何移动或旋转摄象机和模型，物体的颜色分布都不变化，上面是绿色，左边蓝，右边红。这可不是我们想要的。

这个问题的原因是因为SAMPLEINFO输出的法线信息是基于摄象机的，所以与摄象机关联，而并非物体本身，这样我们后面的得到的也是不能用的法线信息。
为了解决这个问题，我们断开SAMLPEINFO和SETRANGE之间的联系，新建一个VECTOR PRODUCT节点，如下连接。

将透视摄象机的节点拖进，输入其世界矩阵信息到VECTOR PRODUCT节点，运算方式为VECTOR MATRIX PRODUCT，再将输出值连接到SETRANGE的
VALUE上。

这样做是矢量与矩阵运算，把摄象机坐标系转换为世界坐标系，这样摄象机的变化不在影响物体的颜色分布了，但是如果我们转动物体，问题仍然出现。所以要把物体的变化的信息也要加进去，将世界坐标系转换为物体坐标系。
如果将此时的颜色转换为贴图，我们就叫它World-space normal map。（后面在介绍这些分类）

如图再加入如下类似的节点，注意这次选择的是WORLD INVERSE MATRIX。
图中COLORBALL就是这个球体的模型节点，你可以在OUTLINER中找到它，拖到HYPERSHADE里。

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这样，我们看到颜色显示与渲染的一致了，以渲染出来的为准，这样移动摄象机或物体，颜色分布就正确的象贴在物体上一样。

选中球体和其材质，使用CONVERT TO FILE TEXTURE OPTIONS将颜色转化为贴图，参数如下，分辨率和自行设置。

此时生成的贴图，颜色以红，绿，蓝分布类似彩虹，就叫做
Object- 或 Local-space normal map。这个与上面的World-space normal map看上去会很类似。

下面看看如何使用这张贴图

显示出原来的复制出的那个低精度的球体，命名为NORMALBALL。赋予一个材质，然后连接。使用这样的贴图相当于一次逆运算。我想不用多说了吧。

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看看效果，我这里用的SOFTWARE渲染。

效果还不错，但是问题总是伴随着，如果我们保持摄象机不动，旋转物体，你看会怎样？

细节正确，但是光影却完全错误，阴影也象贴图一样“粘”在模型上，与灯光的位置毫无关系了，这可是不允许的！
所以，我们还要把NORMBALL的节点引入，再次逆运算。

这样，模型细节和光影都正常了，旋转模型和镜头都没有问题，可以用于构建场景了。
但是，这样就完了吗？

我们先来看看在HARDWARE渲染和HIGH QUALITY RENDING渲染结果。

这是什么玩意的一坨啊？
显然，在即时运算更新时显示是不正常的，这意味着对于游戏的设计显然是不可用的 ，同样，MENTALRAY渲染也是不行的！
而且后面还有更大的问题存在呢！
按F9进入点元素模式，对这个球随意进行一些变形。

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再转回物体模式，渲染看。注意场景中只有一盏灯。

发现了吗，光影还是错误的，又是这个讨厌的问题！
这就意味着如果要在物体以下的级别变形，比如蒙皮，绑定等，就会出现严重的问题。

在MAYA7以后有这样一组工具：SURFACE SAMPLER（相当于MAYA6中
TRANSFER SURFACE OPTIONS），这个工具里面包含了很多有用的工具。
当MAP SPACE选中OBJECT SPACE时，那么TRANSFER IN WORLD SPACE
/OBJECT SPACE所生成的NORMAL MAP就相当于World-space normal map
和Object- 或 Local-space normal map。

那么还有个TANGENT SPACE是什么呢？
TANGENT SPACE就是切线坐标，即与法线垂直正交的方向，其有个很重要的特性就是它是针对模型上的每个点的坐标，而不是整个物体，这正是我们需要的特性。
这个工具的用法我以前的帖子里讲过的，很简单的。文件格式常用TIF的，有很多优势。

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生成的贴图就是所谓的Tangent-space normal map，其明显不同，颜色是以兰色为基调的。这个应该说是比较完美的，不会出现前面的问题。来看看。
MAYA中没有直接的NORMAL MAP的通道，使用麻烦，不象3DMAX或LIGHTWAVE，所以这方面的文章才比较少，不过MAYA7以后加入了，它是隐藏在
BUMP2D的节点中，使用和BUMP MAP一样简单。

打开HIGH QUALITY RENDERING，这样我们终于看到了期望的结果。
而且各个角度都正常。

有时硬件即时显示并不能很正确，如果看不到正确结果，可以用
HARDWARE渲染一下看。
不过遗憾的是，MAYA中这个节点只能被硬件渲染，同样不支持在SOFTWARE和MENTALRAY渲染。但是也是，本来MAYA中这个节点就是为了制作游戏而生的，针对的多是游戏中的渲染引擎。
还有人用这样的方法连接：

这种直接连接的方法可得到同样的硬件渲染效果，也可以软件渲染，但是光影失真；不支持MENTALRAY。最大的问题就是：如果要与其他BUMP MAP联合使用就会很困难。

继续……
至此我们可以先总结一下，以便有更好的理解和应用。
World-space normal map
1. 彩色.
2. 使用后物体不能旋转和以点为基础的变形，否则材质和阴影会乱掉
3. 适用于不动的物体（比如建筑物）.
4. 计算快

Object- or Local-space normal map
1. 和World-space normal map一样，不同的只是针对了部分元素游戏编码
2. 物体可以旋转，但是不能在物体以下级别变形.
3. 适用于某些简单机械运动中的元素（门，车辆，机械等）
4. 计算较快

Tangent-space normal map
1. 以兰色为基调
2. 物体可以旋转和变形
3. 适用于变形物体（角色，水面，布料等）
3. 计算最慢（并不经常）.

如果我们要在软件渲染或MENTALRAY渲染中也应用该则呢们办呢？
一般来说，在MAYA中或第三方的渲染器渲染NORMAL MAP，需要建立一定的节点来模拟，这可不是一件愉快的事情。我这里用MAYA的节点软件渲染，看看效果：

还不错，但是它的节点却是比较复杂的。这个节点来自于headus (metamorphosis) Pty Ltd。但是原节点的坐标并不适用MAYA（针对的是ZBRUSH），我将其修改重新连接。
总的来说就是要把摄象机的NORMALCAMERA和TANGENTU，V的信息都输出，与NORMAL MAP输出的信息进行点乘运算，连接到物体材质的
NORMALCAMERA。这样软件渲染时就可以收集到相应信息。

如果需要，我在后面共享了这个节点，耐心读完我的帖子，你可以找到它。
适用与任何版本的SOFTWARE渲染，速度较慢，不支持硬件渲染。

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但是MENTALRAY就比较麻烦，目前我试验的节点如下：
相当于在软件渲染节点上再与透视摄象机进行矢量矩阵运算，输出到材质。
遗憾的是，只支持MAYA6.5以下的MENTALRAY版本，MAYA7中的MENTALRAY由于更新了渲染方式和代码，无效！
你也可以使用Jan Sandstrom的JS_Normalmapper的MENTALRAY节点。但是同样是不支持MAYA7。

同时，在MENTALRAY渲染中可以使用GLOBAL ILLUMINATION，但开启FINAL GATHER渲染无效！这是由于FG的运算方式决定的，目前尚未有办法解决！

下来我们介绍一下NORMAL MAP与BUMP MAP的联合使用。
从本质来说，NORMAL MAP更接近BUMP MAP而不是DISPLACEMENT MAP。
但是也就是说NORMAL MAP要和BUMP MAP合用，是很难发现区别的，所以会产生错觉，在应用中较难发现错误，这是在游戏运用中比较麻烦的，往往不能及时更正，导致计划拖延。

先来介绍硬件即时渲染中的合用。
BUMP MAP分为BUMP3D和BUMP2D，曾经有位介绍过了这两种
BUMP效果的合用，你可以在以前的帖子里找到。但是在试验中发现，如果合用的话，其效果只能在软件渲染中体现，硬件渲染是无效的。这样NORMAL MAP和BUMP MAP直接采用这种合用，即时显示是无法正确的。而我们需要在游戏制作中能即时浏览到。
所以我采用了层纹理（LAYERED TEXTURE）来混合。这里用了个BUMP3D的节点。

在层纹理中混合方式选择OVER，NORMAL MAP在上层。控制其ALPHA值调节凸凹效果（或BUMP DEPTH）。注意！这样做会其实是削弱了NORMAL MAP的效果，所以ALPHA不能太低。其实在后面的SETRANGE节点的用途是可以输入表达式通过与ALPHA值相关联的矫正削弱现象。
你也可以将BUMP3D层放在上层混合，你看看会有什么结果？

即时显示的效果出现，但是似乎哪里不对劲。
我前面提到了，这个区别是很难看出来，因为我们用的BUMP纹理并不是法线贴图，但是用法是直接连入，但仍有效，是因为其是3D纹理，这点视觉差别是几乎可以忽略的。
那么实际的用法该如何呢？

这里我们要用到一个小插件：TranSpace（你可以在网上很容易找到）
它的作用是把BUMP信息转化为TANGENT NORMAL信息，可以用来
BAKE NORMAL MAP。

As Color Output：确保颜色值区间。应当钩选。
Invert Y(V)：对于某些ATI和某些其他软件，要反转Y（V）方向。选择钩选
Normalize Output：确保法线值区间。选择钩选。
这个插件可以用我前面的方法模拟，不过很麻烦。
下面是HRADWARE渲染后效果。

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BUMP2D的纹理或文件纹理就比较麻烦了。因为大多数时候，他们并不能被正确的硬件显示！采用与BUMP3D相同的连接。

解决这个很简单，只要把BUMP纹理转换成一张法线贴图就可以了，然后混合。

在软件渲染中就比较容易，和BUMP嵌套是一样的，2D和3D纹理都一样的可以得到满意的效果。