Статья 3/7 про сетку. Lowpoly, Highpoly и вертекс нормали

Это третья из семи статей из цикла про этапы пайплайна. Подписывайся на наш паблик в Вк или ФБ , чтобы не пропустить следующий выпуск.

Прошлая статья была про драфты.

Сегодня статья посвящена второму этапу пайплайна — сетке. А следующие статьи будут про развёртку, запечку, текстуры и подачу.

Сейчас мы разберём:

— Что такое сетка, зачем она нужна и из чего состоит.

— Как делать lowpoly и highpoly, как они связаны между собой.

— Какие моменты на этапе сетки влияют на свет, блики и развёртку.

— И немного поговорим об особенностях всех игровых движков, которые необходимо учитывать в работе.

Приступим!

Прежде чем говорить о работе с lowpoly и highpoly давай разберём из чего состоят все модели и какие особенности игровых движков нужно знать.

Любая 3D модель состоит из:

⚫️ Точек (vertex, вертекс)

➖ Рёбер (edge, эдж)

⬛️ Плоскостей (tris, polygon, nGon, трис, полигон, эн-гон)

Это простейший элемент модели.И на самом деле это не просто точка, а точка, у которой, помимо её координат в пространстве, есть ещё один важный параметр — направленность.

Записывай, у каждой точки (вертекса) есть 2 параметра:

Так вот, направление вертекс нормалей напрямую влияют на поведение света на поверхности твоей модели. В отличие от реального мира, свет в игровых движках работает по другим правилам. Он эмулирует поведение привычного нам света, но всё равно это математическая абстракция.

У поведения света в игре есть свои особенности, которые влияют как на работу с сеткой, так и на все последующие этапы пайплайна. Давай разбираться вместе! Очень скоро ты узнаешь, как кокретно поведение вертекс-нормалей влияет на блик твоей будущей модели. Не торопись и читай внимательно, чтобы не запутаться.

2 точки образуют ребро. Это всегда прямая линия. Не забывай, что у одного ребра всегда 2 точки, и у каждой есть своя вертекс нормаль. Скоро узнаешь, что с ними делать.

3 точки создают треугольник. Как ты помнишь из школьной геометрии, 3 точки создают плоскость.

В программах для моделирования полигон может состоять не только из трёх точек. Помимо треугольников, есть четырехугольник (quad/квад) и n-gons (нгоны, многоугольники). При желании, ты можешь создать полигон из любого количества точек.

Но, будучи трёхмерщиком, ты не должен забывать, что под капотом всех игровых движков и программ для 3D моделирования лежит одна особенность — в них всё состоит из треугольников. Поэтому когда ты сделал квад или нгон, то программа всё равно у себя глубоко в коде видит только треугольники.

Когда-то давно в программах были только треугольники, но только с ними крайне неудобно моделить. Все программы и игровые движки научились триангулировать полигоны (т.е. превращать их в треугольники), состоящие из 4 и более точек. У разных программ свои алгоритмы триангуляции, и поэтому одна и та же модель в разных программах может выглядеть немного по-разному.

Одна и та же модель с н-гоном в Майе, Мармосете и Анриале. Алгоритмы мармосета неправильно прочитали н-гон, и поэтому растянули его так, что дырку больше не видно. Майя правильно триангулировала модель, Но для нашего удобства показывает н-гон. Анриал триангулировал геометрию почти как майя, и сразу показал триангуляцию, чтобы не тратить ресурс на просчет н-гона.

Почему это важно?Помнишь, что у каждой точки есть своя вертекс нормаль, от которой зависит поведение света? Как мы говорили, алгоритмы триангуляции везде разные, поэтому есть вероятность что в твоей программе всё выглядит ок, но в движке внешний вид модели может отличаться.

Это происходит, потому что сложные полигоны превращаются в треугольники внутри кода программы по-разному. А у каждой точки и ребра есть свои вертекс-нормали. Разные направления вертекс-нормалей дают разные блики. Ты не хочешь, чтобы такое произошло с твоей моделью, поэтому перед экспортом модели все не плоские квады и нгоны нужно триангулировать.

Поэтому одна из задач создания игровой сетки — триангуляция. Мы переводим всё в треугольники руками и поэтому на 100% уверены в том, что блик будет везде одинаковым, но об этом чуть дальше в статье.

Если на модели есть квадрат и все точки лежат в одной плоскости, то проблем с бликом скорее всего не будет. А вот если у тебя одна или несколько точек выходят за пределы плоскости, то могут начаться проблемы с бликом, поэтому следи за такими полигонами.

Про то, как и когда нужно триангулировать мы разберёмся чуть позже в этой статье. А пока давай подведём небольшие итоги.

Только что ты узнал, что всё в трёхмерке сводится к точкам, ребрам и плоскостям. Это и есть составляющие любой 3D модели, вне зависимости от программы, в которой ты работаешь.

Поэтому, когда ты создаёшь самый примитивный объект в программе, например, куб, сразу создаётся 8 вертексов, 12 рёбер и 6 полигонов (которые делятся на 12 треугольников), а у каждого из вертексов есть вертекс нормаль, которая влияет на поведение света.

1 Вертекс нормали влияют на видимость полигона

Как ты уже знаешь, у каждой точки полигона есть своя вертекс нормаль.Так вот, если нормаль направлена в твою сторону, то ты видишь полигон.

Но есть одна особенностей игровых движков. Если вертекс нормаль направлена ОТ камеры, то полигон становится полностью прозрачным, невидимым.

Для удобства моделеров, программы умеют показывать полигоны вне зависимости от того, с какой стороны ты смотришь. Но можно включить backface culling, и тогда увидишь следующую картину:

Видишь? Внутренние грани куба при вращении камеры становятся прозрачными. Именно поэтому, если из-за бага игры ты оказался внутри здания, ты видишь сквозь него, потому что ты смотришь на обратную сторону полигона.

Теперь ты знаешь, что вертекс нормали, помимо блика, влияют ещё на видимость объекта. Запомни, у полигона есть только одна видимая сторона.

Идём дальше, уже скоро будет про lowpoly, highpoly и подготовку к запечке.Но мы всё ещё не закончили с вертекс нормалями, а без них ты не поймёшь принцип, по которому переносится детализация из highpoly на lowpoly.

2 Вертекс нормали влияют на блик каждого полигона

Как ты уже понял, свет в игре — математическая абстрация. Это не реальные фотоны света, а чистой воды математика и программирование. Зная особенности программ, ты откроешь для себя несколько новых возможностей, которые сделают твою модель ещё выразительнее.

По-умолчанию, вертекс нормали перпендикулярны плоскости. Угол 90°.

Видишь, есть прямоугольник. Вертекс нормали расположены перпендикулярно.

Изменяя направление вертекс нормалей, обычный плоский прямоугольник бликует как кривая поверхность, а значит выглядит как более сложный объект.

Натяни на этот прямоугольник текстуру листика от дерева, главное, не забудь карту прозрачности. Потяни вертекс нормали в разные стороны и увидишь то, как прямоугольник преобразился.

В игре у тебя просто 4 точки и файлик с текстурой. Это всего 2 треугольника, зато если ты покрутил вертекс нормали, то лист на дереве будет бликовать так, как будто это уже не прямоугольник. Выглядит так, будто у него гораздо более сложная форма.

Используя этот простейший трюк, ты экономишь целую кучу полигонов (на игровых проектах всегда жесткий лимит на треугольники) и экономишь ещё гору своего времени.

Итак, теперь ты уже знаешь, что помимо триангуляции есть целый ряд трюков, которые помогают лучше моделить и оптимизировать свою сетку. В статье будет ещё несколько, читай дальше.

3 Вертекс нормали влияют на жесткость граней

Как ты понял из прошлого пункта, изменение направления вертекс нормалей изменяет поведение света. Плоский объект может перестать быть плоским, при необходимости, всего за пару кликов.

Создай два квада как на картинке. По-умолчанию, вертекс нормали перпендикулярны, поэтому каждая стенка бликует независимо друг от друга как отдельная плоскость (формально, движок видит два вертекса с одинаковыми координатами, но разными направленностями, но для удобства работы нам он показывает их как один вертекс с двумя нормалями)

Если склеить нормали в одну — две стенки будут бликовать как одна плавная форма (на самом делее редактор оставляет только один вертекс, нормаль которого усредняет)

Записывай:

Сначала все грани жесткие, затем часть граней делаем мягкими, а в конце все грани становятся мягкими

Софты и харды — важный инструмент в создании выразительности. Всегда нужно понимать, какие эджи должны быть мягкими, а какие жесткими.

Кстати, во всех редакторах есть функция, которая автоматически объединяет вертекс нормали, делая хард или софт эдж. В 3D максе эта же самая технология в основе групп сглаживания, у нее немного другой интерфейс, но суть та же самая. Еще у разных программ разные алгоритмы, которые решают, как усреднять нормали и триангулировать модель, но это совсем адванс информация, о которой в статье мы говорить не будем.

Правильные хард и софт эджи дают красивый блик, который подчёркивает нужные детали модели.

Например, здесь сначала вся модель покрыта жесткими эджами, и поэтому выглядит гранёной и несимпатичной. Затем мы сделали все эджи мягкими, и в части модели формы стали слишком мягкими + местами появились странные черные пятна. В конце я назначил автоматические харды и софты по углу в 60°, и тогда модель забликовала идеально!

Есть ещё один трюк, который иногда используют. Смотри на гифку и увидишь шов между цилиндром и плоскостью. Исправляем нормали, делаем их перпендикулярным плоскости, и два разных объекта начинают смотреться как единое целое. И всё это делается без создания лишних полигонов, ведь игровому движку проще рассчитать блики для простого объекта, чем хранить и считать его для сотен ненужных полигонов.

Чего мы хотим на этапе сетки?

Все зависит от пайплайна. В игровом ААА пайплайне нам нужно сделать 2 разные сетки: LowPoly и HighPoly.

На LowPoly мы хотим чтобы было минимум полигонов, максимум детализации и красивый блик. Есть старая добрая технология карт нормалей, которая позволяет тебе во много раз сократить количество полигонов, добавить на модель сотню мелких деталей и при этом вписаться в любые лимиты проекта

Представь, что ты хочешь замоделить вот такой объект так, чтобы было минимум полигонов, но в игре были все детали.

Сколько точек тебе нужно? Подумай и напиши на листочке ответ.

Правильный ответ — тебе нужно ровно 8 точек. И ещё нужен очередной трюк — запечка нормала.

Ты уже знаешь, что нормали есть у каждой точки твоей модели. И изменяя их, ты меняешь поведение света. Но нормали находятся именно у точки, нельзя просто взять и поставить только нормаль в произвольное место (есть еще фейс нормали — нормаль полигона, но по-факту это усредненная нормаль всех вертексов этого полигона).

Зато есть клёвая технология Normal Map (карты нормалей). Это текстура, которая создаёт виртуальные вертекс нормали внутри каждого пикселя.

Вот обычный куб, самый простой.

Normal Map у него будет выглядеть вот так. По сути, это отсутствие нормал мапа, он никак не влияет на твою модель. Просто синий цвет означает, что нормали перпендикулярны поверхности.

А теперь открой фотошоп и добавь на него вот такую детальку:

А теперь смотри что будет, если этот Normal Map привязать к модели:

Надеюсь ты понял, что нормал мап умеет рисовать детализацию с коректными бликами поверх полигонов.

Что и где нужно нажимать и как сделать Normal Map ты узнаешь в следующих двух статьях из Цикла. Пока достаточно того, чтобы ты понял принцип.

Ещё важный момент — никто не рисует Normal Map руками. Есть классные технологи запечки и рисования нормала. Скопируй этот куб в отдельный файл, замодель полигонами в нём любую детализаци. Получишь следующее:

Теперь у тебя есть 2 файла — просто куб. И куб с кучей деталей. В отдельных файлах.

Так вот, просто куб — это и есть твоя LowPoly модель. Именно её ты будешь вставлять в игровой движок. Она оптимизирована и в ней нет лишних полигонов. А есть HighPoly модель — это куб с кучей деталей.

Есть технология «запечки», которая позволяет перенести все вертекс нормали с детальной модели на лоуполи, и сохранить их в Normal Map. Тогда произойдёт чудо — у тебя всего 6 полигонов, а модель бликует как куб с кучей деталей!Очевидно, что эту технологию обожают в геймдеве!

Теперь ты понял!

Обычный куб с нормал мапой бликует как детализировання модель, Но вся детализация на нем — не новые формы, а просто хитрое искажение вертекст нормалей с помощью отдельной текстуры.

Вот так выглядит та самая карта нормалей. У нее очень простая технология: каждый пиксель создает на поверхности модели виртуальную вертекс нормаль. Нейтральный голубой цвет (128,128,255 RGB) означает, что оригинальная вертекс нормаль не будет изменяться. Красный канал отвечает за отклонение нормали влево или вправо, зеленый — вверх или вниз. Синий имитирует глубину (в играх очень часто синий канал убирают для экономии)

О нормале подробнее поговорим в статье про запечку.

У каждой точки есть направленность. Она называется нормалью (Vertex Normal). Свет в 3д редакторе — это математическая абстракция, и блики высчитываются благодаря вертекс нормалям. Это называется шейдингом (shading). Если несколько вертексов одного полигона направлены в одну сторону — этот полигон будет бликовать как плоскость.

Если все вертексы направлены в одну сторону, то полигонь будет бликовать как плоскость.Если они направлены в разные стороны, то бликовать будут по-другому.

Любые 3 точки, соединенные рёбрами образуют самую простую плоскость — треугольник. Но работать с треугольниками неудобно, поэтому умные дядьки сделали четырехугольники (квады) и многоугольники (n-gon).

На самом деле все полигоны в редакторе или движке — треугольники, но для простоты работы редакторы умеют отображать квады и многоугольники.

Для экспорта модели в видео игру ее надо обязательно триангулировать. Если довериться в этом вопросе движку — он может неправильно триангулировать не плоские полигоны и н-гоны и испортить блик на модели (шейдинг)

У каждого полигона есть две стороны — передняя и задняя. По умолчанию внутренняя сторона прозрачна (это называется backface culling), однако современные 3д программы умеют заливать цветом или материалом задние стенки.

Есть программы работающие на других технологиях, например воксели (Voxel) — «пиксели» в 3д пространстве, и CAD технологии — работающие на основе математики, но в видео играх они не используются. В этой статье мы будем говорить только о полигональном моделировании.

Можно длого говорить про сетку, потому что работа над сеткой для игры, мобильной игры, кино или мультика будет отличаться. Но, как ты помнишь, мы пишем цикл по ААА-пайплайн, т.е. алгоритм, по которому моделят для всех топовых видеоигр. Поэтому мы сделаем акцент на оптимизации сетки для игровых движков.

Теперь пришло время оптимизировать сетку для игры!

В чём заключается оптимизация?

Драфт нельзя засунуть в игру.Как ты уже понял из первой половины этой статьи — с ним будет много проблем. Начиная с того, что движок может её неправильно триангулировать, заканчивая тем, что драфт может не вписаться в лимиты проекта.

Отсюда вытекает потребность в создании лёгкой модели, в которой всё из треугольников и минимум полигонов. Такая модель называется LowPoly.

Помнишь пример с кубом? Каждая из его 8 точек влияет на силуэт, удалять ничего нельзя, иначе это будет уже не куб. Это и будет LowPoly модель для игры, и именно её вставляют в игровой движок.

Если следовать пайплайну, то всю детализацию — все скругления и детали мы делаем через технологию запечки HighPoly на Normal. Поэтому мы должны взять драфт, сделать его супер детализированным, а потом просто запечь эти детали и натянуть на LowPoly модель через Normal map.

Надеюсь, ты понял принцип работы.

Если работаешь по пайплайну для игры, то на этапе сетки нужно сделать LowPoly и HighPoly с правильной топологией.

Как это сделать мы разберём прямо сейчас, а про запечку будет отдельная статья.

Есть три вида сетки: лоу-, мид- и хайполи

Давай разберём каждый из трёх видов по отдельности.

LowPoly для видео игры необходимо сделать максимально легким, с небольшим числом треугольников.

Все плоские детали рисуют в текстурах или на нормале, а геометрией отбивают только объекты, влияющие на силуэт. В игровом движке такая сетка всегда триангулирована.

Лоуполи для разных игр отличаются. На мобилках лоуполи очень легкая, 2к — 10к треугольников. На некоторых ААА проектах любят вшивать всю геометрию в огромные цельные формы, а на других каждую деталь отбивают отдельной геометрией. Есть проекты, где на главного персонажа выходит 50-60к треугольников, а бывают проекты по 250к треугольников на персонажа.

В современной игре модель на переднем плане может быть более детализированной, чем в кино на среднем и заднем плане — кино выглядит реалистичнее из-за более продвинутого света и гораздо больших текстур. Кадр фильма может считаться на супер компьютере несколько часов, а видео игра должна выдавать целых 60 кадров в секунду — поэтому даже более детализированные модели в играх смотрятся не так сочно, как модельки в кино (и то многое зависит от игры).

Лоуполи сильно зависит от технологии. На мобильной игре на важном объекте 5-7к полигонов. В старых играх важные объекты были в 10-15-20к полигонов. Сейчас игры легко тянут модели по 50-150к полигонов. Бывают и выше, по 200-300к полигонов на огромные модели, например, корабли/танки/дома. На лоуполи бывают разные правила. Одни модели делаются цельными кусками геометрии, другие разбиваются на детальки.

Допустим, технический директор высчитал ограничение на локацию в 10 млн полигонов и 200 материалов. Отсюда высчитывается. По 150-200 моделей. В среднем от 10 до 100к полигонов. Это ограничение взялось из производительности движка и железа, под которое делается игра. И, конечно же, без опытного технического директора такие лимиты не высчитать.

Как работает видеокарта?

Она рендерит в среднем по 60 кадров игры в секунду. В реальном времени. На 1 кадр она требует около 10 000 проходов для отрисовки всех моделей, текстур, частиц, эффектов, интерфейса, и прочего. Для этого видеокарта отправляет вызовы отрисовки (draw call) процессору. Процессор — узкое горлышко любого рендера, поэтому работа над оптимизацией часто сводится к оптимизации вызовов отрисовки (поэтому делаются конструкторы, атласы и прочие хитрости для ускорения рендера).

В общем, чем меньше полигонов на твоей модели, тем лучше себя чувствует движок игры. Важно понимать, что игровым движкам проще работать с меньшим количеством полигонов и кучей деталей на Normal Map, чем наоборот.

Есть крутые ролики про то, как работает видеокарта:

Вот еще несколько роликов:

Rise of the Tomb Rider: https://youtu.be/PiMyGHLIoXA

Witcher 3: https://youtu.be/u8o44-91CRQ

GTA 5: https://youtu.be/sKA0KZGSJDM

Запомни правила лоуполи:

Когда цилиндры кратны 4, а число сечений зависит от размера цилиндра.

Поэтому лучше всего по возможности перед запечкой переносить сложные формы в треугольники

Все не плоские четырёхугольники и многоугольники желательно превратить в треугольники вручную.

Потому что, как ты помнишь, у разных программ разные технологии триангуляции. В одной программе может быть норм, а в другой программе может выглядеть плохо. Зато если сделал треугольниками, везде будет чётко.

Т.е. на этапе лоуполи, это делать не обязательно, т.к. развёртку проще делать с квадратами, но потом этот момент нужно учесть.

Хайполи — это детализированная модель без ограничения по полигонам. На такой модели могут быть сделаны все, даже самые маленькие детали. Такие модели часто делают концептеры, а в видеоиграх такая геометрия нужна для запечки нормала.

Запомни: на хайполи можно всё.

Хайполи не ограничено количеством полигонов. Главное ограничение — чтобы файл открылся у тебя на компе.

Хайполи делают без особых ограничений по сетке, в ней предпочитают квадраты (ими проще строить полигональные лупы — об этом чуть позднее), а от угловатостей избавляются на сглаживании. В игровой движок такую сетку не засунешь, зато она может быть сколько угодно детализированной и гладкой.

В видеоиграх хайполи нужна для запечки нормала. Только для него.

Для сложных органических форм первым делают хайполи, а потом «ретопят» в лоуполи (обводят лоупольной сеткой, об этом сегодня говорить не будем, но вот короткая затравочка для тех, кому очень любопытно)

1) Cабдив (subD) — это создание хайполи через поддержки. Ты делаешь формы, накладываешь поддержки, они правильно скругляются, получается максимальная точность. Это старая и крутая технология, задача которой делать круглые фаски и гладкие формы.

Большинство трехмерщиков начинают изучать 3д именно с сабдива. Почему-то так принято вести большинство курсов по 3д. Мне кажется, что важнее научиться делать клёвые формы, и уже потом учиться сабдиву. Самое важное на сабдиве — понять, как строить лупы и кольца полигонов, чтобы они подчеркивали твою форму.

2) Скульпт — необходимо, если у твоей модели мягкие формы, органика. Неточные, неровные формы. Складки, грибы, мягкие формы — смело лезь в СКУЛЬПТ. Это как пластилин, только в 3д. Скульпт делает сетку настолько плотной, что мнешь ее как пластилин в специальных программах (zBrush, mudbox, 3d coat). Главная особенность скульпта — можно работать с десятками и сотнями миллионов полигонов!

3) CAD геометрия. Есть очень клевая софтина fusion360. Ее сделали для инженеров, чтобы они проектировали и собирали реальные мосты, машины, роботов и прочие штуки для реального мира. Но программа оказалась настолько удобной и клёвой, что в нее влюбились концепт художники. Чтобы делать роботов и железо.

Еще Sketchup очень хорош в кад моделировании. От обычного моделирования CAD отличается тем, что каждая поверхность в нем задается формулой, поэтому она может быть сколь угодно гладкой и плавной, и ее легко редактировать на любом этапе. Но в видеоиграх такие модели не используют, так что чаще всего CAD модели ты можешь увидеть в клёвом концепт арте под отрисовку.

Мидполи — компромис между бесконечно детализированными хайполи и оптимизированными лоуполи. С этой сеткой делают супер детальные и интересные модели, которые клёво смотрятся в кадре, хорошо шейдят, но в то же время они достаточно оптимизированные и легкие, для удобства текстурирования и работы с ними.

Сегодня ты узнал много нового про вертекс нормали и работу с топологией.Ты понял суть того, как работает технология запечки, и зачем нужно делать 2 файла — лоуполи и хайполи, и как они связаны друг с другом.

К чему ведут провалы на этапе сетки?

— К плохой оптимизации и неаккуратному шейдингу.

— Плохую лоуполи даже текстуры не спасут.

— Ошибки с хардами и софтами испортят запечку и текстуры (об этом поговорим в статье про запечку поподробнее).

— Плохая хайполи с потягами и плохим шейдингом — пиши пропало, она не запечется.

— Хайполи и лоуполи должны совпадать. Они должны быть похожи друг на друга и покрывать друг друга. Иначе будут проблемы на запечке.

Следующий этап пайплайна — делаем на лоуполи развёртку, чтобы можно было наложить на неё текстуры в самом конце.

А после развёртки мы будем запекать детализацию с хайполи на лоуполи.

Даты писать не будем — мы в них не попадаем (работы много, курсы, все дела, не успеваем статейки писать)

Подписывайся на наш паблик в Вк или ФБ, чтобы не пропустить следующий выпуск.

Жди продолжение!