§7.1给对象加入细节

为您接下去要制作的游戏中会使用到Normal Mapping（法线映射） shaders，对表面有很多的结构和小细节的物体，比如管道，电缆这些需要用上百万的才能显示所有细节的情况，使用Normal Mapping（法线映射） shaders能大大改善三维物体的表现（见图7-1 ）。You will often see Normal Mapping examples on Internet sites that compare totally ridiculous looking objects and bad textures with a super high resolution Normal Mapped object。我试着use real object from a real game（这本书后面的Racer游戏会用到），因为diffuse纹理有一点阴影效果，所以没有Normal Mapping效果也不错。通过这种方式，您可以不使用Normal Mapping，但物体看上去仍不错。使用Normal Mapping能使物体看起来更好，即使只有1000多边形，看起来也非常平滑。

想要得到更好的效果还能使用Parallax Mapping（视差映射），Offset Mapping或Displacement Mapping（位移映射， Shader Model 4支持，但代价昂贵）。这些技术较为复杂，除了diffuse贴图和Normal Map贴图外还需要额外的height map（高度图）。但使用Normal Mapping已经足够好了。

如果您有一块带shader功能的图形卡，Normal Mapping并不难实现。在老的GeForce 3 （shader1.1版）也能工作，就现今支持Pixel Shader 2.0的硬件可以更好地实现反光，效果会更好。通过前一章的学习你已经有了基本的基础，包括如何创造shader、如何转换顶点、像素如何最终显示在屏幕上。

 Normal Mapping 需要额外的纹理。diffuse纹理是用来显示基本的材质，颜色等等。Normal Map纹理通过提供顶点向量添加更多的3D细节。

请注意，如果您打开仙人掌的三维模型的kaktusseg.dds和kaktussegnormal.dds贴图，会发现kaktussegnormal.dds看上去不同，这是因为正Normal Map是压缩的，并已经被Alpha和红色通道反转，这样可以在没失去很多细节的前提下把纹理压缩至1：4，看起来仍不错。More details about this technique in a second - just remember that internally the Normal Map texture looks like the texture in 图7-2；the compressed version just stores the data differently。

计算每个像素的光线是要用到Normal Mapping 纹理中的数据，Normal Map中的每一个像素代表了多边形表面的法线向量。这一数据是储存在正切空间，可参见图7-4。从贴图中的颜色数据获得法线向量要用到公式(each r, g and b value-0.5)/0.5（见图7-3），Normal Map中的RGB颜色数据以浮点数的形式被用在公式里，要将RGB颜色数据转换成浮点数，只需除以255，这在Pixel Shader里是自动完成的。比起位图文件的字节数据，浮点数更容易使用。

 Normal Map中最多的颜色是淡蓝（RGB 128，128，255），这意味着大多数向量是向上的，即vector3（0，0，1）。如果整个纹理都是浅蓝色的，这意味着每个向量都朝上，那么，Normal Map将没有任何效果。

这些Normal Map像素通常存放在切线空间，这意味着法线数据和多边形表面是有联系的。这是所谓的切空间，通过每个顶点的切线和binormal向量你才能建立切线矩阵，而binormal可以通过叉乘法线向量和切线向量得到（见图7-4） 。在上一章，你只有每一点的位置，法线和纹理坐标数据，这些数据对Normal Mapping来说是不够的，您至少需要每个顶点的切线矢量去建立这个切线矩阵，如果没有切线数据的话Normal Mapping 图像显示将不正确。

你可以把切向和binormal 向量看成指向下一个顶点x和y方向的向量, but they are still octagonal (in a 90 degree angle) to the normal vector。这意味着，即使您的三维模型没有任何切线数据，您也可以遍历所有顶点自己创建（不容易，但是可行的）。

问题

问题是，往往顶点可用于一个以上的多边形，有时纹理坐标合并得也不好。对diffuse mapping来说这问题不大，因为您只使用法线向量计算光线，但如果你通过切线空间转换每个像素的法线，就要求数据必须配合。这意味最好在三维程序中生成切线数据，三维程序知道如何在Normal Mapping shader中更好地使用哪些切线和输出法线。在vertex shader中你只能访问到目前您正在处理的顶点，而不能访问下一个顶点，或建立一个新的向量指向下一个顶点。这意味着，将有效的切线数据传送到vertex shader（顶点着色引擎）是很重要的。如果你只是定义了支持切线的vertex input structure，也不意味着应用程序能够处理有效的切线数据。通常您在内容管道有.x或.fbx文件，它没有任何切线的数据（见图7-5 ） 。

 这意味着你仅有法线数据而没有切线数据，这样就无法为Normal Mapping创建切线空间。对于简单的对象比如这个苹果问题不大，但如何模型有更多的曲线和纹理坐标就会出现显示错误。图7-6显示的就是切线错误的苹果模型。

Asteroids（小行星）！

要建立一个象图7-1一样的3D模型并不容易，一个精细模型，可能会有几百万的多边形，建模往往会花掉很多时间，你可能还会花很多时间优化shader以便能让您的游戏引擎能在同一时间内高帧速率显示许多对象。为了简化问题，你将只使用一些很酷的小行星模型，其中有几百万多边形的精细版本，也有1000多个多边形的低精度版本。这些模型将被用于在下一章的Rocket Commander游戏。

为了进一步优化性能，也制作了500，200，甚至50个多边形的小行星，Normal Maps在高低精度版本中都能用。在性能测试中200个多边形的版本是最有效率的，它几乎和50个多边形版本的一样快，但看起来更好。500个多边形的版本不见得看好多少，特别是对低端电脑上用时较长。因此，我们使用1000个多边形和200个多边形版本的小行星（见图7-7）。

图7-8显示了小行星使用的三个纹理。因为所有小行星模型使用parallax mapping shader（视差映射着色），您需要为每个对象建立一个diffuse（散射），normal（法线），height（高度）贴图。正如前面所提到的，法线贴图被压缩，这意味着将看到红色而不是默认的蓝色法线贴图。压缩的法线贴图是红色的是因为红色通道完全是白色、而储存在原始红色通道中的Alpha通道是不可见。更多详情请参阅下一章的parallaxmapping.fx shader和打开Normal Mapping 纹理。

我在2005年写了一个名为normalmapcompressor的小工具（见图7-9），可以从我的博客http://abi.exdream.com上下载。它可以用来压缩Normal Mapping 纹理，你将可节省75％的磁盘和纹理空间，而质量下降得很少。这是真的很酷，在使用Normal Mapping或parallax mapping时可解决很多显卡内存不足引起的问题。而在过去，你只有diffuse纹理和小如128×128，256×256的分辨率，有时512×512更常见。

以每通道（rgba）32位、未经压缩位图的形式储存的分辨率为128×128的纹理要占128*128*4个字节=64KB的空间，而同样尺寸压缩为dxt1 DDS的文件只有8kB大小，一个JPG文件只有约5到10KB。256 × 256分辨率大小则为128×128的四倍（未压缩256KB，dxt1为32KB，JPEG格式约20KB），若512×512，再次四倍，即便如此，未压缩的贴图大小也仅有1MB。

 但今天的纹理尺寸普遍都有1024×1024， 2048×2048，甚至4096×4096更为常见。即使你只用1024×1024的贴图，未压缩diffuse贴图也要占用4MB的空间，因为你也需要Normal Mapping贴图和height贴图实现Shader效果，只是一个单一的纹理就要高达12MB的空间。如果您的游戏使用了数百个不同的纹理，这是完全不切实际的。你必须使用压缩纹理和只有加载需要的数据。这就是为什么console游戏往往会重新加载关卡的数据和一般不要使用非常高的纹理，如果不这样做，对Xbox 360和老的显卡来说会消耗太多显存。

diffuse纹理可以很容易地压缩为dxt1，rgba节省8倍空间，RGB可节省6倍。如果您使用需要Alpha数据的透明物体，您可以使用dxt5，比起未压缩rgba数据可节省4倍。你也许会说“为什么不使用.jpg或.png文件？”“好，您可以为节省磁盘空间使用.jpg文件，但在显存中仍需要解压缩文件并将其存储在显存中。使用dds文件的好处是因为DXT格式更好地兼容了今天的图形硬件和节省显存。

对Normal Maps来说，最主要的问题是DXT压缩算法是针对颜色数据设计的，绿色通道占用大部分的压缩空间，因为绿色的颜色更明显。蓝色通道对Normal Maps并不重要，因为它通常是十分明亮的，（见图7-3） ，但红色通道经过dxt1压缩后看起来就像crap，特别是在Pixel Shader 1.1中，你不能再次将法线归一化，许多情况下向量长度将完全错误，Normal Map的照明看起来有错误，而且很暗（见图7-10）。

 It is really hard to explain without switching the compression on and off，屏幕上视觉效果的不同非常明显。Normalmap compressor通过dxt5和将红色通道储存在Alpha通道内的方法解决了这个问题，因为红色通道都是白的，这使得绿色和蓝色有更好一点的压缩比。In the shader you just have to switch the red and alpha channel and you are good to go。如果你仔细观察normalmap compressor （图7-9），你可以看到，红色通道具有最高的variation（左侧的imformation面板），这意味着红色通道具有最不同的颜色观和variation。蓝色通道通常很低。

对于diffuse贴图和高度贴图，您可以使用dxt1。如果你只是使用Normal Mapping，你不需要的高度贴图，可以节省更多的显存。现在1024×1024的diffuse贴图只需要512KB，1MB用于法线（dxt5需要两倍多的空间），和可选的512 KB的高度贴图，如果需要，如果您使用mip-mapping，还要增加25％的空间。用去2～2.5 MB空间，看起来就能与未压缩1024×1024的12 MB大小的纹理几乎一样好了。使用Normal Mapping或parallax mapping效果往往看上去太锐化，你可以像我在Rocket Commander游戏中的那样，用512 × 512的纹理代替1024 × 1024的纹理，能避免锐化问题。令人吃惊的是，Rocket Commander游戏包括两个音道，许多声音效果，5个小行星模型，五个item模型，火箭模型等，纹理和特殊效果和四个关卡，只有不到10MB（译者注：？源文件有60MB，安装文件16MB）。对Xbox 360再大一点，因为不能播放mp3文件，但它还是很不错，以少于15 MB大小的支持1920×1080的分辨率（ HDTV ），比大多数Xbox 360上的商业游戏看起来更清晰。

接下来的章节，本书会继续讨论如何使用为自定义的三维数据使用Normal Mapping效果，使用Normal Map后图像看起来很棒，而且因为使用了压缩技术并没用占据太多的纹理空间。

发布时间：2008/9/12 13:05:49  阅读次数：8673