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

Это третья статья из цикла про ААА-пайплайн. Вот ссылки на все пять, выбирай ту, которая тебе нужна:

1. ААА-пайплайн
2. Драфт
3. Сетка
4. Развертка
5. Запечка

Эта статья поможет новичкам, которые хотят научиться делать high poly и low poly так, чтобы потом не переделывать. Ты узнаешь, что такое сетка, зачем она нужна и из чего состоит. Поймешь, зачем нужны ограничения по полигонам и как оптимизировать свою модель. Внимательное изучение статьи займет около 20 минут. Если возникнут вопросы — пиши в чат-бот (кнопка справа внизу). Там на связи живой менеджер :) Он поможет разобраться. Ну что, давай начнем!


Из чего состоит любая 3D-модель

Сетка — технический этап и он требует понимания технологий. Прежде чем говорить о работе с low poly и high poly давай разберем 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)

#1 Точки (вертексы)

Это простейший элемент модели. У каждой точки есть 2 параметра: координаты в пространстве и направленность.

1. Положение в пространстве — это ее положение по осям x, y, z;
2. Направленность еще называется «вертекс нормаль».

Вертекс нормалей влияет на поведение света на поверхности модели. В игровых движках свет работает не так, как в реальном мире. В играх свет — это математическая абстракция.

#2 Рёбра (edge)

Ребро — это 2 точки, которые соединены линией. У каждой из этих точек есть вертекс нормалей.

#3 Полигоны (polygons)

Из точек и ребер мы создаём многоугольники. В геймдеве их называют полигоны. Самый простой полигон состоит из 3 точек — это треугольник.

Помимо треугольников, есть четырехугольники (quad/квад) и многоугольники (n-gons/нгоны). Так что, ты можешь создать полигон из любого количества точек. Но учти — во всех игровых движках и 3D-программах все состоит из треугольников. Поэтому, когда ты делаешь квад или нгон — программа автоматически превращает их в треугольники (это называется триангуляция). У разных программ свои алгоритмы триангуляции. Потому, одна и та же модель в разных программах выглядит по-разному.

Из-за разных алгоритмов триангуляции модель меняется, когда мы добавляем ее в игровой движок. Если не хочешь, чтобы программа искажала модели — перед экспортом триангулируй полигоны вручную.

Триангуляция — одна из ключевых задач создания игровой сетки. Мы переводим всё в треугольники руками, чтобы блики были одинаковыми.

Если на модели есть квадрат и все точки лежат в одной плоскости — проблем с бликом скорее всего не будет. Но если одна или несколько точек выходят за пределы плоскости, могут начаться проблемы. Поэтому, внимательно следи за такими полигонами.

Что такое запечка нормала

Нормали — это векторы, которые определяют, как свет отражается от поверхности. Они есть у каждой точки модели. Если их изменить, поменяется поведение света. Но векторы отражения нельзя поставить на случайное место, они находятся у точки.

Добавить нормаль внутри полигона не получится, их нужно фиксить руками в том месте, где есть вертекс (точка). Но есть крутая технология — карта нормалей (Normal Map), которая помогает обойти этот этап. Карта нормалей — это текстура, которая создает виртуальные вертекс нормали внутри каждого пикселя.

Вот простой куб:

Normal Map у него будет выглядеть как на фото внизу. По сути, это отсутствие карты нормалей, он никак не влияет на твою модель. Синий цвет означает, что нормали перпендикулярны поверхности.

А теперь откроем фотошоп и добавим на него вот такую детальку:

В красном канале горизонтальный градиент, в зеленом канале вертикальный. А теперь смотри что будет, если Normal Map привязать к модели:

Normal Map не рисуют руками, для этого используют технологии запечки и рисования нормала. Скопируй этот куб в отдельный файл и замодель на нем любую детализацию.

Теперь у нас 2 файла — обычный куб и куб с кучей деталей. Обычный куб — это low poly модель, в которой нет лишней детализации. Такую модель мы вставляем в игровой движок, потому что она не сильно детализирована и не перегружает его. А есть high poly модель — куб с кучей деталей.

Технология «запечки» позволяет перенести вертекс нормали с детальной модели на легкую low poly и сохранить их в Normal Map. В этом случае в кубе 6 полигонов, а модель отражает свет, как куб с кучей деталей.

Обычный куб с Normal Map бликует как детализированная модель, хотя детализации в нем нет. Это просто хитрое искажение вертекса нормалей с помощью отдельной текстуры.

В карте нормалей каждый пиксель создает на поверхности виртуальную вертекс нормаль (точку с отражением света).

Нейтральный голубой цвет (128,128,255 RGB) означает, что оригинальная вертекс нормаль не будет меняться. Красный канал отвечает за отклонение нормали влево или вправо, зеленый — вверх или вниз. Синий имитирует глубину.


Что происходит с сеткой после драфта?

Как только мы закончили драфт модели, на нем уже есть сетка. Но она еще не оптимизирована для игры. Внизу, на примере машины показан драфт, на котором из-за большой детализации превышен лимит полигонов. Если листнешь вправо, увидишь разницу по количеству полигонов на этапе драфта, LowPoly и HighPoly.

Драфт нельзя засунуть в игру. В нем либо движок неправильно стриангулирует сетку, либо лимит по полигонам будет превышен. Потому, для игр нужны легкие модели из треугольников и минимума полигонов. Такая модель называется LowPoly.

Вспомни наш куб. Все 8 точек влияют на силуэт, удалять ничего нельзя, иначе это будет уже не куб. Это и есть LowPoly модель, которую вставляют в игровой движок. По пайплайну, детализацию модели мы делаем с помощью запечки HighPoly на Normal. Поэтому мы должны взять драфт, сделать его супер детализированным, а потом запечь детали и накинуть их на LowPoly модель.

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

Low poly сильно зависит от технологии. В мобильной игре, на важном объекте 5-7к полигонов. В старых играх важные объекты были по 10-20к полигонов. Современные игры тянут модели по 50-150к полигонов. А бывают модели и по 200-300к полигонов, например, корабли, танки или дома.

Откуда берётся лимит на low poly?

Представь, что технический директор высчитал ограничение на локацию в 10 млн полигонов и 200 материалов. Получаем по 150-200 моделей в которых от 10 до 100к полигонов. Это ограничение взялось из производительности движка и железа, под которое делается игра.

Как сделать low poly?

Вот главные правила:

• На low poly важны полигоны, которые влияют на силуэт формы.
• Элементы, которые не видишь нужно удалять.
• Всё, что слишком угловато на силуэте — округляй. Иногда для этого надо добавить новую геометрию.
• Все плоские детали, не влияющие на силуэт, рисуются через текстуры или на нормале.

Перед запечкой переноси сложные формы в треугольники. А четырехугольники и многоугольники триангулируй вручную. В одной программе может быть норм, а в другой будет кривой блик или форма.

На этапе low poly, это делать не обязательно, т.к. развёртку проще делать с квадратами, но потом этот момент нужно учесть.

2. High Poly

High poly — это детализированная модель без ограничений по полигонам. Такие модели делают концепторы, а в видеоиграх они нужны для запечки нормала.

На high poly можно всё, потому что нет ограничений по полигонам. Главное ограничение — чтобы файл открылся на компе. На high poly работают с квадратами вместо треугольников, а от угловатостей избавляются при помощи сглаживания. В игровой движок такую сетку не засунешь, но она может быть сколько угодно детализированной и гладкой.

3 способа сделать high poly:

В видеоиграх high poly нужна для запечки нормала. Для сложных органических форм первым делают high poly, а потом «ретопят» в low poly.

1) Cабдив (subD) — это создание high poly через поддержки. Ты делаешь формы, накладываешь поддержки, они правильно скругляются и получается более гладкая модель без угловатостей. Самое важное на сабдиве — понять, как строить лупы и кольца полигонов, чтобы они подчеркивали форму модели.

2) Скульпт — это как пластилин, только в 3D. Мы используем скульпт, если у модели мягкие формы или органика. Программы для скульптинга (zBrush, mudbox, 3d coat) делают сетку настолько плотной, что наша модель становится мягкой и тянется как 3D-пластилин. Когда работаем со скульптом — можем работать с десятками и сотнями миллионов полигонов. Мы учим как скульптить для игр на бесплатном курсе по zBrush.

3) CAD геометрия — каждая поверхность задается формулой, поэтому модель гладкая и плавная, ее легко редактировать на любом этапе. CAD подходит для твердотельного моделирования из-за того, что модели получаются гладкими. Крутой CAD софт — Fusion 360. Его сделали для инженеров, чтобы они проектировали и собирали реальные мосты, машины, роботов. Если хочешь научиться моделить технику в Fusion 360 — присмотрись к нашему курсу Hard Surface.

3. Mid Poly

Это компромисс между бесконечно детализированными high poly и оптимизированными low poly. С этой сеткой делают детальные и интересные модели, которые клёво смотрятся в кадре, но в то же время они оптимизированы лучше, чем high poly. Mid poly больше используют для кино, чем для игр. В играх важно влезть в число полигонов установленное техническим директором, чтобы игра была быстрой и не лагала. А в кино важно, чтобы картинка была красивой, потому не так страшно перегрузить движок, просто рендерится фильм будет дольше.

Подведем итоги

Сегодня ты узнал много нового про вертекс нормали и работу с топологией. Разобрался, как работает технология запечки, зачем нужно делать 2 файла — low poly и high poly, как они связаны друг с другом через Normal Map.

К чему ведут провалы на этапе сетки?

— К плохой оптимизации и не аккуратному шейдингу;
— Плохую low poly даже текстуры не спасут;
— Ошибки с хардами и софтами испортят запечку и текстуры;
— Плохая high poly с потягами и плохим шейдингом — не запечется;
— high poly и low poly должны совпадать. Они должны быть похожи друг на друга и покрывать друг друга. Иначе будут проблемы на запечке.


Что дальше

Если хочешь освоить весь пайплайн и научиться моделить в 3D, присмотрись к нашему курсу Draft Punk. Ты поймешь, как устроен пайплайн разработки 3D-моделей в больших игровых студиях. Научишься создавать выразительные драфты. Разберешься с топологией, high poly, low poly, разверткой и запечкой. А в конце создашь полноценную 3D-модель по всем правилам пайплайна. Полученных знаний хватит, чтобы работать на фрилансе или джуном в студии.

Вот что получилось у наших студентов после курса Draft Punk:

Если тебе интересны другие этапы пайплайна — переходи к следующей статье. 1 статья = 1 этап пайплайна, с уроками и примерами. Выбирай тему, с которой хочешь разобраться:

1. ААА-пайплайн
2. Драфт
3. Сетка
4. Развертка
5. Запечка