凹凸贴图、法线贴图、置换贴图以及矢量置换贴图，这些大家肯定在制作项目的时候遇到了，虽然在网上关于这些技术的信息有很多，但是对于它们之间的区别会有些混淆，这也是很正常哒~小编近期发现了一位VFX艺术家所分享关于贴图时注意问题的干货！哝，就是下面这一位！




Andreas Mischok德国斯图加特艺术家&技术总监Pixomondo的纹理艺术家今天呢，咱们就讲一讲他所分享的内容，各位，赶紧收藏好哈~

凹凸贴图、法线贴图、置换贴图以及矢量置换贴图，这些都是用来增加3D模型表面细节的技术，分为两大类称为“真置换”和“假置换”。这也是这两类方法的核心区别所在。“真置换”会移动顶点，所以模型的几何结构也会跟着改变，细节更加清晰写实，但是，这种改变顶点的方法会增加渲染时间；“假置换”不会移动模型表面的顶点，不改变模型的几何结构，所以相对于“真置换”，这种方法渲染速度更快。当然了效果不会很真实。总的来说呢，这两种方法都是为了让3D模型看起来更真实，但“真置换”是通过真正改变模型的几何结构来达到目的，而“假置换”是通过模拟视觉效果来达到类似的结果。

注意：高度贴图（Height-maps）在这里没有提及到，是因为“高度贴图”描述的是信息如何存储的，而不是如何应用于网格的。它可以被用作凹凸贴图或是位移贴图。正式进入文章之前，我们需要先了解一下“假置换”是如何工作的？首先快速了解一下路径追踪（Path-tracing），路径追踪是一种渲染技术，它模拟光线在场景中的传播方式，简单来说，光线从光源出发，经过物体表面反射，最终到达相机，或者光线可以从相机发出，反射直达光源。这两种呢，无论采用哪种方法，都不会影响接下来我们要讲的效果。反射光线（reflected ray）的角度，是根据入射光线（incoming/incident ray）和表面法线的角度来计算得出的。这个计算基于向量数学，是渲染的核心。法线则是一个与平面垂直的向量，直白一点来说，模型上的每个面都是平面的，因此每个面上有一个法线。

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注：实际上，多边形并不总是平面的。为了解决这个问题，渲染引擎会将所有的多边形，包括四边形，都分割成三角形，然后计算所有构成面的三角形的平均法线。这样就可以更准确地模拟光线的反射效果了。法线贴图（Normal-maps）之所以这样叫它，是因为它们能够在每个像素级别上存储自定义的表面法线（Surface-Normal）。这样一来，即使不改变模型本身的形状，也能自由地控制光线的反射方向。凹凸贴图（Bump-maps）会在渲染时将高度信息转换为表面法线。这就意味着从光线的角度来看，法线贴图和凹凸贴图产生的效果是一样的！

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通过调整表面法线的角度，可以模拟出真置换效果，虽然这样做看起来不错，但实际上并没有改变模型的形状，所以还是会有不足之处。不论是使用凹凸贴图还是法线贴图，还是其他的置换贴图，或者说，这些贴图是通过烘焙生成的还是提前做好的，它们的效果都差不多。这是为什么呢？因为这些贴图都源于假置换，只是让它们表面看起来有所不同，并没有真正改变模型的形状。而真置换则是直接改变了模型的实际形状。对照明的影响当观察示例时，首先注意到的一点可能是缺少阴影（shadows)。真置换不仅会影响基础网格所投射出的阴影形状，还能创造出全新的形状，从而产生完全新的阴影。这种情况通常在自阴影（self-shadowing）中最明显，同样也可能投射到别的物体身上。真置换会让物体像现实世界那样产生自然的阴影，而假置换没有这种效果。

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看下面这个简单的渲染图，图里用两种方法展示了捕捉光照的大致位置。当用假置换后，物体本应该有的影子却没有显示出来。虽然能看出光的方向，但物体的真实阴影不见了。

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再看看这个例子，用一个简单的平面来做出一面砖墙的样子。当使用真置换时，砖块之间的缝隙会产生自然的阴影，让墙面看起来有层次和深度。但是当使用假置换时，这些砖缝里的阴影就没有了，所以整个墙面看起来就很平，没有立体感。

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缺少阴影并不是真置换和假置换之间唯一的区别。还有其他的区别，我们一块说说。当使用真置换时，物体表面变得更加复杂，有更多的地方可以让光线反弹。而在使用假置换时，由于没有增加实际的表面积，一些本应较暗的地方看起来会异常地黑，这在视觉上看起来就不自然了。

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在展示金字塔投射阴影的渲染图中，增加了一下图像的对比度，和没有经过这种处理的原始渲染图进行参照比对，这可以更清楚地看到缺少光线反弹的效果，本应有更多细节和层次的地方显得过于平坦。

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另外，还有一个与光照有关的效果，那就是物体如何接收阴影。
如图所示，红色的部分代表阴影。通过比较球体在不同表面上投下的阴影高度，可以看出阴影的形状只受真置换（True Displacement）的影响。

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在平面上，无论是使用真置换还是假置换，都会让表面呈现出一种简单的波浪形状，真置换不仅让表面起伏，还会让阴影随着起伏变化，从而让整体看起来更立体。

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到现在为止提到的所有视觉效果，比如阴影的深浅和光线的反弹等，都会受到光线入射角度以及相机观看角度的影响。当光线和相机的角度一致时，一些视觉效果比如阴影变化就会变得不太明显或者消失了。

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此外，随着光线和阴影的变化，物体自身的遮挡会让阴影逐渐消失不见。

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为了让整个场景看起来特别有趣和生动，阴影及其产生的形状是非常重要的。现在来看最后一张渲染图，有没有发现其他的问题？即使使用法线贴图能够重现相同的亮度值，但金字塔看起来还是很扁平。这是由于接下来要讲的另一个效应造成的，请大家继续往下看！视差透视里有一个重要的概念叫做“视差”，就像是当移动头部或者相机的时候，近处和远处的物体好像在相对移动。就像观看一幅立体画一样。这种现象不只发生在单独的物体上，在三维空间中的任何两个点都会发生这样的相对移动。所以当使用真置换来改变网格形状时，也会影响到这种视差的效果。

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为了更容易理解，在三个物体上用红线标出相同深度的地方作为参考点。蓝线表示被置换效果推下去的部分。当从正上面看的时候，真置换和假置换看起来差不多，but，如果换个角度，情况就不同了。从侧面看时，低模/假置换上的蓝线会保持均匀的间隔，真置换的网格上的蓝线看起来就会有移动的感觉。如果再稍微倾斜一下相机，后面的蓝线可能会完全被中间物体上的红线挡住，看不见了。如果把蓝线往上推，这个效果就会反过来，前面的蓝线几乎会完全遮挡中间的红线。

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那视差映射是什么呢？视差映射(Parallax-mapping)是一种让游戏画面看起来更加立体和真实的技术，它是通过对渲染像素进行二维扭曲应用到渲染像素上，而不是改变实际的模型形状来实现的。虽然说可以让画面更加真实，体验感更好。但是也会增加计算机处理图形时的工作量，对性能产生影响。

说个题外话，让大家在干货中轻松点，有些艺术家像Patrick Hughes就会利用这种视差，创建非常有趣，并且视觉效果超惊人的作品！给大家一块瞅瞅~

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90°角虽然使用真置换(True Displacement)可以创建90度的垂直偏移，但对于假置换(Fake Displacement)就不行了。理论上，垂直角度可以储存在法线贴图(Normal-maps)中，但这样做其实没有意义，因为在低多边形模型上这些垂直角度并没有对应的区域。下面图中的绿线代表基础网格表面，红线代表要烘焙到网格上的高模。从低模中出现的渐变显示了最终法线贴图应有的值。除了1区和2区之间垂直角度在基础网格上没有宽度，无法对应以外，高模的每个表面角度都可以对应到低模的一个区域。凹凸贴图(Bump-maps)也有同样的问题，因为它们在渲染时会被转换成表面法线。

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下面的图展示了用于烘焙法线和置换的高模的侧视图，

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这个图是使用烘焙好的纹理进行渲染的结果。

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就像上面所看到的那样，当使用法线贴图来给低模添加细节时，大多数角度都可以正确地表示出来，即使这些角度在低模上只占很小的区域。但是，对于90度这样的垂直角度，由于低模上没有足够的空间来表示这个角度，所以在法线贴图中这个角度就消失了。另外，即使使用真置换贴图（True Displacement）来增加模型的立体感，通常也不建议用它来创建大的角度，因为这样做会导致其他纹理上的像素发生拉伸变形，对后期的工作很不友好。轮廓当只看模型的轮廓（silhouette）时，假置换（Fake Displacement）不改变模型实际形状的特点就非常明显了。即使是在模型的一些部分重叠的地方，比如鼻子遮挡了脸颊的一部分，这种重叠也不会像真置换那样在轮廓上产生变化。通常，这种效果会在两种情况下表现出来：1.本应平滑的轮廓变得生硬、块状。2.有很多细节的部分，比如头发或衣服的边缘，突然失去了这些细节。
简而言之，假置换不会真正改变模型的形状，所以在某些情况下，模型的轮廓会显得不自然或失去细节。

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次表面散射使用次表面散射（SSS），很有可能发现假置换的另一个缺点。次表面散射（SSS）计算会随机化光线穿过物体时的角度。这意味着这种效果更多地依赖物体的厚度和实际形状，而不是表面的角度。在使用假置换的例子中，之所以能看到某种效果，原因是从暗区到达相机的光是散射光线，亮区则是所有光线的混合。这给暗区了一个红色调，但这并不是真实的效果。简单来说，次表面散射会让光线在物体内部随机反弹，因此它更看重物体的真实厚度和形状。虚拟置换不能改变物体的真实厚度，所以在使用次表面散射时，它不能产生真实的效果。

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黑色区域或拉伸的反射不知道大家有没有遇到这样一个问题，当使用假置换时，在某些特定的角度下，光线看起来像是从物体内部反射出来，这看起来不自然。

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这是因为不是在渲染一个透明的表面，所以这种效果是没有意义的。为了处理这种情况，不同的渲染器会有不同的解决方法。这些方法包括：消除光线用不同方式重新引导光线忽略有问题区域的法线贴图
Arnold是这类渲染引擎之一，它会直接“消除”那些有问题的光线，这会导致部分反射呈现黑色。相比之下，真置换会使光线在物体表面多反弹几次，从而避免这种不自然的现象。

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其他渲染器，比如Blender的Cycles，会将那些看起来不自然的光线重新导向为平行于低模表面，这样做的目的是找到最接近真实情况的光线路径。这种方法可以防止光线错误，但会导致相邻的许多像素接收到相同的反射方向，结果就是我们看到的反射看起来像是被拉伸了。

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当想让3D模型的表面看起来更平滑时，可以使用一种技术，通常被称为“软化边缘”(softedae)或“平滑法线”(smooth nomma）。这个名字可能会有所不同，但原理是一样的。具体来说，这项技术通过在模型表面的不同点之间进行插值处理，使表面法线变得更加平滑。这样处理后，即使模型本身的几何形状没有改变，它的外观也会显得更加光滑和自然。

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渲染器处理平滑法线的方式就跟处理假置换差不多，当给一个立方体加上平滑法线，那些不平滑的角度会因为表面法线的变化而变得更平滑。有些人会很奇怪，不知道为什么，Arnold处理平滑法线的方法跟处理假置换不一样。Arnold它不是直接把那些问题光线“干掉”，而是在光线需要穿过物体的时候干脆假装没看见那些平滑法线，就像它们完全不存在一样。

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实际上这个问题并没有看起来那么严重，在这次渲染中使用的纹理非常夸张，通常情况下，纹理越大，问题就越明显，但在实际应用中，不太可能需要用到如此强烈的置换（无论是真实的还是假的）。实际的渲染比简单的镜面反射要复杂得多。如果在渲染非常闪亮的镀铬材质时，需要注意这个问题。但是一旦引入了一些镜面粗糙度或者是非金属材质（比如塑料或玻璃），这种效果就会开始减弱，并逐渐消失。所以这个问题不必过于担心。

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表面越粗糙，反射光可能的偏移范围就越大。

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反射角度的随机化模糊了反射，导致较少的光线/采样获得不合理的角度。这本身并不能完全解决问题，仍然会看到反射质量上的差异，但不像之前那么明显了。

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介电材质会将大部分照射到它们表面的光以各种不同的角度散开，这就是漫反射，只有很小一部分光是以镜面反射的形式反射的。这意味着即使表面完全是光滑的，这个问题也几乎不会被注意到。看看下面这些图像是在Arnold中渲染的，单独看镜面反射的时候，仍然可以看到黑色区域，但在最终渲染中这些区域几乎看不出来。

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曲面细分上面的问题讲述的都是关于假置换的，咱们接下来就讲一讲真置换的一个缺点。真置换只能根据模型表面的多边形来增加细节，为了获得更多细节，需要对模型表面进行细分，但这会增加模型的复杂度，使场景变得非常复杂。但现在的渲染引擎都带有一个功能，可以自动添加那些几何体无法支持的细节作为假置换。这个功能可以在不需要过多细分的情况下，也能让模型看起来具有更多的细节。（在某些渲染器中，这个功能默认是关闭的，所以一定要检查一下。令人烦恼的是，目前还没有统一的命名标准。例如，Arnold称之为Autobump，而Cycles则称之为Displacement + Bump。）为了理解这个功能，请看下面的对比图，这两个网格都被细分了三次：

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但这个功能也有bug，例如， not freezing/applying的缩放，使用Autobump与矢量置换一起也可能有些困难。特别是在刚开始使用这个功能时，通过创建对比渲染来确保一切都按预期工作是一个很好的做法。可以创建两种渲染确保两种方法的结果是一致的。：1.使用Autobump结合细分数量。2.不使用Autobump，但使用非常高细分数量的模型。
有一个问题需要注意，在某些渲染器中，使用Autobump与次表面散射（SSS）着色器需要单独启用。使用Autobump添加的细节仍会出现假置换的问题，对于非常细小的细节，如毛孔，这些问题不会很明显。结论真置换和假置换都是提高模型真实度的好方法。纹理越细致，缺陷就越明显。所以，无论使用哪种方法，都要尽量用基础拓扑捕捉细节对于使用假置换是很有必要的，对于使用真置换也很重要。如果遵循这个点呢，那么就这两种方法其实可以达到相同的效果。不信？下面看看，能分辨出哪个使用了真置换，哪个使用了假置换吗？

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具体情况还得具体分析，这是一个质量和性能之间的平衡。1.制作背景：如果正在制作背景资产，使用真置换可能会减慢渲染时间，但如果场景包含大量资产的话，这可能就不值得了。2.制作角色：如果制作主角资产，使用真置换是最佳选择，因为它能提供更真实清晰的结果。
当然了，也有例外。如果时间很紧，使用假置换代替真置换可以加快渲染速度。省点时间。总之还得看大家的需求，根据自己所创建的东西来选择使用真置换还是假置换。今天的学习时间就到这里结束了！希望今天的文章对大家的工作学习有所帮助，各位自由活动吧~原文地址：
https://www.artstation.com/blogs/andreasmischok/jzWz/fake-vs-true-displacement-part-12https://www.artstation.com/blogs ... lacement-part-22END

(⊙o⊙)…