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"変異マップ" と "法線マップ" について

法泉マップ(Normal Map)、変異マップ(Displacement Map)は比較的新しい概念の立体を表現する手法です。少ないポリゴン(メッシュ)数で複雑な起伏を表現する事が可能になります。

このページは現在、再構、作成中です。画像がないと説明が難しいため、サンプルデータを用意する予定です。テクスチャの延長で説明していた内容を3Dモデリングに視点を変えて書き直しました。

画像データを形状データに応用した手法

タイルやレンガ、岩の表面など凹凸を表現する場合、通常、Bump (バンプ)マッピングを使用して、テクスチャーで表現します。テクスチャによる起伏の表現には、グレースケールの画像を使用し、一般的には白に近いほど高く、黒に近くなるほど低くなります。

後述する ZBrush が書き出すノーマルマップは、黒(-100%)グレー(0%)白(+100%) のように中間色のグレーを基準にしています。

砂場を表現したければ、グレースケールのノイズ画像を Bump 用のテクスチャとして使用すれば、計算上はザラザラになります。この Bump マッピングによる表現は、あくまでテクスチャによる表現であるため形状そのものは変形する事はありません。

つまり、凹凸の影は落とさない上、表面は起伏があるように見えてもエッジ(尾根)は変化しないため滑らかに見えます。(野球のボールの縫い目の外周(エッジ)は持ち上がって見えないためピンポン玉のように見える) Bumpマップにより自然に表現できる凹凸の高さには限界があります。

法線(ノーマル)とは何か

法線

法線とは、ポリゴンメッシュに対して垂直方向にある線の事を意味し、この法線方向に対して振幅数をグレースケール画像で指定する事で実現します。

左の図で言えば選択されているポリゴンメッシュから垂直方向へ伸びている破線が法線になります。この法線はサーフェイスのをあらわし、法線が延びている方が表になります。

余談ですが法線方向に対するメッシュ編集機能は、ポリゴンモデラーの良し悪しを決める一つのポイントになります。

以下はBlenderの和訳ドキュメントです。フリーの Blender は、法線MAP、変異MAP 、後述するスカルプト・モデリングにも対応しています。このページは当面、文字のみの説明なので、、、

法線(ノーマル)マップは高い密度を持つ 3D(形状)データから 凹凸 の情報をRGBで出力した画像データです。再度、密度の低いポリゴンデータにディスプレイスメントマップとして適用する事で、元の高い密度の3D形状データと同等の詳細な表現が可能になります。

法線(ノーマル)マップや変異(ディスプレイスメント)マップと呼ばれる機能は 3DCG ソフトウェアによって機能面で違いがありますが、画像データを元に少ないポリゴン数のオブジェクトで緻密な形状を表現する事が可能になります。

マッピング方式としての法線マップ

貼り付けた画像が法線方向へ向く、面にそって画像を貼るマッピング方式の事を単に法線(ノーマル)マッピングと呼ぶこともあります。つまり投影マップに対極にあるマッピング方式という意味合いです。

UVマップはポリゴン・オブジェクトの特定の位置に法線マップでテクスチャを貼り付けるために必要な情報、と考えると分かり易いかもしれません。いずれにしても、変異マップ、法線マップにはオブジェクト側にUV情報が必要になります。

変異マップによる形状データのメリット

ハイエンドや一部のミドルクラスの 3DCG ソフトでは、かなり前から変異(ディスプレイスメント)マップの機能を提供していましたが、フラクタル・イメージなどを利用して、地形や隕石といった大雑把な形状の表現等に利用される程度のものでした。

現在、変異マップの利用目的は以下の二通りの考え方があります。

3D形状データの軽量化

少ないポリゴン(メッシュ)数と画像データの組み合わせで複雑な形状を表現 (インプレス記事)できるため、3Dゲーム開発に利用されています。また、インターネット上の仮想空間への応用も期待されます。

ただし、データ自体は軽量でもレンダリングやシェーディング時に多くのメッシュを生成するため、CPUGPUのパワー、それとメモリが必要です。

3Dゲーム(Windows)では既に DirectX 9 からディスプレイスメント・マップに対応しています。変異マップ(ディスプレイスメント)あり、なしによるイメージの違いは 以下の PC Watch の記事が分かり易いです。

より緻密でリアルな表現が可能な3Dモデリング手法

このように従来の頂点編集モデリングでは表現の難しい形状に利用される訳ですが、3DCGソフトウェアが提供する変異マップは、画像主体のものであり、Photoshop等の画像編集ソフトで修正した画像(マッピングデータ)を再度取り込み直すまでは結果が分からない為、地形など大雑把な用途に限られていました。

法線マップ(画像)を主体としたモデリング手法、つまり、画像情報に直接アプローチする事でリアルタイムに3D形状に反映させるスカルプト・モデリングと呼ばれる新しいモデリング手法があります。(次のページで説明)



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