數字三維模型法線貼圖技術在影視特效中的應用

劉官鎮

摘 要：現代電影、電視作品不斷發展，特效已經成為重要的一部分，影視作品借助特效達到表現效果，并且特效節約環保，不需要一些現實的布景等。數字三維技術使用多媒體計算機模擬運動、造型等，建立三維物體造型，達到真實的效果。在數字三維的創作中，創作效率越高，往往不能保證畫面效果的質量。一些制作人員為提高創作效率，減少場景的網格面數，利用高模產生的法線貼圖信息，與低模對應，使高精度的模型細節能夠保留。法線貼圖的作用，就是在高效率下，也能避免畫面質量的流失。

關鍵詞：數字三維模型;法線貼圖技術;影視特效

自電視、電影藝術誕生開始，創作者們就不斷探索，尋求突破，提升影音質量，為觀眾呈現更好的視覺效果，或者一些匪夷所思的畫面。電視、電影不僅傳達思想和情感，其震撼的視覺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，早期技術有限，耗時耗力?，F代視覺特效技術不斷進步，甚至達到以假亂真的效果。但一個短的幾秒的特效鏡頭，往往需要花費十幾天甚至更久的時間。在影視制作中，特效已經廣泛應用，優秀的特效鏡頭，需要嚴密的設計和計劃，高水平的處理技術。法線貼圖技術是一種虛擬3D技術，是目前先進的凹凸表現技術。法線貼圖技術使用藍色、紫色，表示相應的凹凸信息。而過去只是黑白的信息。法線貼圖技術中的模型，在光的照射下，凹凸信息有相應的陰影、高光。模型的多邊形數量并不改變，也能獲得多邊形的細節，在游戲引擎程序中，應用廣泛。

一、法線貼圖定義

法線（Normal）是一種直線，垂直于一個面，其工作原理的基礎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，法線的指向稱為法線矢量。法線矢量與光源矢量之間的夾角，決定在該點上模型的明暗程度。法線貼圖技術是以特定的數據源圖像通道信息為參考，添加單一的面的細節，或者低精度多邊形模型的細節[1]。在三維軟件中，也是采用這種方式制作凹凸方法的效果。法線貼圖技術十分精確，將 R、G、B 三通道，作為單獨的顏色。而傳統的凹凸貼圖，依據一個圖片的灰度信息計算。相比凹凸貼圖，法線貼圖的實現效果更佳，能夠有效展現細節。灰度值存在差異，對低模表面法線偏移的程度有明顯的影響。R、G、B 三個通道中，均有一致的表現。藍色通道是物體邊緣到內部的黑白漸變。綠色通道是在垂直方向，發生黑白漸變。紅色通道是在水平方向，出現黑白漸變[2]。利用光照的方法，形成Normal，就是切線的 Normal。通常在低模創作中，會使用法線貼圖，目的是表現高精度模型的細節。法線就是一個向量，對高精度模型表面傾斜進行記錄。法線信息都記錄在法線貼圖的每個像素中。

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）。目前行業內運用比較廣泛的，是切線空間的方式。切線空間適合角色的創建。使用切線空間的模型，能夠隨意變形或者移動。將法線的位置變化，使用RGB色彩信息進行描述。Z軸為模型表面的垂直方向。UV 坐標在表面紋理，兩個方向一個是X 軸，一個是Y 軸。一張紋理中任意保存一個法線，RGB 三通道出現無法對應取值的情況，因為是負值。因此，壓縮XYZ 中法線投影長度，范圍為0到1。然后存儲。相對 X 軸與 Y 軸，Z 軸變化更大，因此，RGB 三通道中，有更多的藍色的信息，顯示為貼圖，其顏色就偏藍[3]。物體空間也稱為是世界空間，或者區域空間，可以區域空間產生較高品質的曲率。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。在游戲中，物體空間沒有實用價值。因此，物體空間應用很少，貼圖顏色是彩色的。

三、法線貼圖技術實際應用分析

本次研究中，對法線貼圖技術進行實例應用，比較分析法線貼圖的價值與意義。使用花盆造型中的兩個版本，分析工作流程。第一，準備高精度模型、低精度模型兩組。先制作低精度模型，然后展開UV。將雕刻筆刷工具Mudbox導入。雕刻細節后，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，首先創建低精度模型，然后雕刻細節，形成高精度模型。第二，兩個模型的外觀上不能相差太多，將兩個模型對齊在一起。第三，在菜單中，使用Render to texture命令，RenderSetting主要設定渲染引擎。區塊中設定貼圖輸出的路徑是GeneralSettings。比如設定物體貼圖存儲輸出是Objects to Bake，是重要的參數設置區域。選擇Projection Mapping中的Pick按鈕，對低精度模型操作，出現需要投射高模對象。在Modify修改編輯面板中，有Projection，能夠對高精度模型表面的凹凸信息進行抓取。設定輸出的貼圖區，在Output區域中。需要使用Add按鈕。要創建輸出圖片的類型，使其為法線貼圖，選擇NormalsMap進行設置。在下方有相應的設置格式、名稱等等。Objects to Bake區域中，有設置由Max自動展開UV，或者使用原有UV信息，通過Mapping Cordinates進行設置。貼圖的使用頻道是Channel。最后，系統自動展開UV的功能項，進行設置時，在Automatic Mapping區域。但首先要在Mapping Cordinates中，設置Use Automatic Unwrap。第四，要認真調整低精度模型的外邊框，使其能夠將高精度模型完整包裹[5]。投射高精度模型的細節，必須有合適的投射框，能夠完整投射，使低精度模型應用。第五，在對象中應用法線貼圖。原物體材質已經變化。在材質編輯面板，Bump凹凸貼圖屬性增加法線貼圖命令Normal_Bump。進入屬性中，生成的法線貼圖效果就可以看到。第六，通過渲染，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效果，以及模型的質量。實質上，法線貼圖技術是凹凸貼圖技術的拓展，是次世代模型優化技術的核心，能夠涵蓋大量的表面細節信息，以及各個像素的高度值。法線貼圖的品質與模型 UV 的拆分密切相關。高精度模型能夠提供法線的細節，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。傳統可能會出現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。在計算烘焙法線貼圖前，避免刪除模型對稱的另一半。在影視行業，尤其是游戲行業，法線貼圖技術應用廣泛，具有較高的價值，能夠帶來高效的質量，并且不會丟失細節，創作者需要注意使用平臺和創作手段的完美結合。

參考文獻：

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[3]武曉霞.藝術形式在影視后期特效課程中作用的研究[J].數碼世界，2019，（9）：124.

[4]張曉娜.虛擬現實技術在數字影視特效 中的應用與分析[J].中國有線電視，2019，（7）：750-752. [5]趙書英.數字技術下的影視特效設計和動畫合成技術[J].微型電腦應用，2018，34（10）：53-55.

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