Карты текстур: секрет создания реалистичных 3D-моделей, материалов

Для кого эта статья:

• Новички и опытные 3D-художники, заинтересованные в освоении текстурирования
• Студенты, обучающиеся в области графического дизайна и 3D моделирования

• Профессионалы в геймдеве и архитектурной визуализации, стремящиеся улучшить свои навыки

  Текстурные карты — тот невидимый герой, превращающий безжизненные 3D модели в объекты, способные обмануть глаз своей достоверностью. Каждый раз, когда вы восхищаетесь реалистичностью персонажа в AAA-игре или визуализацией архитектурного проекта, за этим стоит мастерское использование десятков специализированных карт текстур. Но большинство новичков и даже опытных 3D-художников часто путаются в их назначении, растрачивая впустую ресурсы рендера и собственное время. 🎮 Давайте разберемся, какие текстурные карты действительно необходимы, как они взаимодействуют друг с другом и почему именно правильный набор текстур определяет грань между посредственной и выдающейся 3D работой.

Хотите овладеть искусством создания реалистичных текстур и поднять ваши 3D-проекты на новый уровень? Профессия графический дизайнер от Skypro раскрывает секреты работы с текстурными картами от Diffuse до Displacement под руководством практикующих 3D-художников. Вы не только изучите теорию, но и создадите собственное портфолио проектов, демонстрирующих мастерское владение текстурированием — навык, который моментально выделит вас среди других претендентов на позиции в геймдеве и визуализации.

Карты текстур в 3D графике: фундамент реалистичности

Карты текстур в 3D моделировании — это специальные изображения, которые накладываются на геометрию модели для придания ей материальных свойств. Каждый тип карты отвечает за определенный аспект внешнего вида поверхности: цвет, отражение света, шероховатость, рельеф и многое другое.

Современные движки рендеринга используют физически корректные принципы (PBR — Physically Based Rendering), что требует от художников понимания не только визуальных эффектов каждой текстурной карты, но и физических процессов, которые они имитируют. Качественное текстурирование основывается на точном воспроизведении того, как свет взаимодействует с материалами в реальном мире.

Александр Соколов, 3D Technical Artist

Работая над AAA-проектом для одной из ведущих игровых студий, я столкнулся с проблемой оптимизации текстур для сцены средневекового замка. Бюджет полигонов и текстур был крайне ограничен, а сцена требовала фотореалистичности. Решение пришло, когда я полностью пересмотрел подход к использованию карт текстур. Вместо создания высокополигональной модели с детализированным displacement map для каждого камня, я использовал комбинацию менее ресурсоемких normal map для мелких деталей и стратегически размещенные displacement map только для крупных архитектурных элементов. Для оптимизации рендера мы также заменили несколько спекулярных карт на единую комбинированную карту, где каналы RGB содержали данные для разных материалов. Это позволило сократить количество текстурных семплов и значительно ускорить рендер без заметной потери качества.

Чтобы понять важность каждой карты, необходимо рассмотреть, как они работают вместе в современном рабочем процессе текстурирования. Вот основные категории карт, которые используются для создания реалистичных материалов:

Важно понимать, что не все карты текстур нужны для каждого 3D-объекта. Выбор конкретных карт зависит от:

• Материала объекта (металл, дерево, пластик и т.д.)
• Требований к визуальному качеству и реалистичности
• Производительности и оптимизации рендера
• Особенностей рендер-движка или программы
• Бюджета проекта и доступных ресурсов

Цветовые карты: Diffuse map и Albedo текстуры

Diffuse map (карта диффузного отражения) — фундаментальная текстура, определяющая базовый цвет поверхности при равномерном освещении. Это основа визуального восприятия объекта, которая показывает, как поверхность отражает рассеянный свет. 🎨

В классических пайплайнах Diffuse map часто содержит в себе теневую информацию и затенения, которые "запечены" (baked) в текстуру. Однако в современных PBR (Physically Based Rendering) системах эти элементы разделены.

Albedo текстура — это эволюция diffuse map в контексте PBR. Главное отличие: Albedo содержит только чистый цвет материала без теней, затенений и освещения. Это позволяет движку правильно рассчитывать освещение в реальном времени.

• Diffuse Map часто включает тени и затенения
• Albedo содержит только базовый цвет без освещения
• Base Color — термин, часто используемый как синоним Albedo в некоторых движках
• Color Map — более общее название для цветовых текстур

При создании качественной Diffuse map или Albedo текстуры следует придерживаться следующих принципов:

1. Избегайте слишком темных или слишком светлых значений (особенно для Albedo)
2. Удалите все тени и блики, если работаете с PBR (для Albedo)
3. Используйте референсные значения реальных материалов
4. Обеспечьте достаточное разрешение для детализации
5. Правильно настройте UV-координаты для избежания искажений

Марина Волкова, Texturing Artist

Когда я только начинала работать с PBR материалами, мне никак не удавалось добиться реалистичного отображения металлических поверхностей. Мои материалы всегда выглядели либо пластиковыми, либо слишком "мультяшными". Переломный момент наступил, когда я поняла свою фундаментальную ошибку: я создавала Albedo текстуры так же, как привыкла делать Diffuse maps. В моих Albedo картах были слишком насыщенные цвета для металлов, которые в реальности имеют очень низкую диффузную составляющую. После того как я начала создавать почти черные Albedo для чистых металлов (значения RGB около 50-70), позволяя Metalness и Roughness картам контролировать блики и отражения, мои материалы внезапно ожили. Коллеги даже спрашивали, использую ли я какой-то новый плагин для рендера! Но секрет был прост — правильное понимание физики отражения света от металлических поверхностей и корректные значения в Albedo текстуре.

Различие между Diffuse и Albedo особенно важно понимать при переходе от старых рабочих процессов к современным PBR системам:

Рельефные текстуры: Normal, Bump и Displacement map

Рельефные текстуры трансформируют плоские поверхности в объемные и детализированные без увеличения полигонального счета модели. Эти карты используют различные методы для создания иллюзии глубины и текстуры, каждый со своими преимуществами и ограничениями.

Bump Map — исторически первый тип карт для имитации рельефа. Это одноканальная карта (черно-белая), где светлые участки воспринимаются как выступающие, а темные — как углубления. Bump map изменяет только то, как свет отражается от поверхности, не меняя геометрию.

Normal Map — эволюция bump map, использующая RGB каналы для хранения информации о направлении нормалей поверхности. Каждый пиксель normal map содержит вектор направления, что позволяет более точно имитировать сложные поверхности. Normal maps бывают двух типов:

• Object Space (координаты относительно объекта)
• Tangent Space (координаты относительно поверхности) — наиболее распространенный вариант

Displacement Map — единственная карта, которая фактически изменяет геометрию модели, создавая реальный объемный рельеф. Displacement map работает путем смещения вершин модели в направлении нормалей согласно значениям в карте. Для эффективной работы требует достаточной плотности полигонов или техники тесселяции.

Сравнение эффективности и применимости различных рельефных карт:

• Производительность: Bump Map > Normal Map > Displacement Map (от наименее до наиболее ресурсоемких)
• Качество рельефа: Displacement Map > Normal Map > Bump Map
• Реалистичность силуэта: Только Displacement Map изменяет фактический силуэт объекта
• Разрешение деталей: Normal Map позволяет более детально передать мелкие элементы поверхности, чем Bump Map
• Совместимость с анимацией: Normal Maps и Bump Maps лучше работают с деформирующимися объектами

Важно понимать, что displacement map требует значительно больше вычислительных ресурсов, поскольку увеличивает количество геометрии при рендеринге. Вот почему в реальном времени (например, в играх) часто используют комбинированный подход:

1. Крупные детали реализуются через базовую геометрию модели
2. Средние детали добавляются через displacement map (часто ограниченно)
3. Мелкие детали и текстура поверхности реализуются через normal maps

При создании и использовании рельефных карт следует учитывать следующие технические аспекты:

• Normal maps обычно хранятся в формате RGB, где каналы R, G и B соответствуют осям X, Y и Z
• Стандартный цвет normal map в tangent space — голубоватый (RGB: 128, 128, 255), что соответствует направлению нормали строго вверх
• Displacement maps часто требуют дополнительной настройки силы смещения (displacement strength)
• Для эффективного использования displacement map модель должна иметь достаточную плотность полигонов или поддерживать технологию тесселяции
• Многие современные программы позволяют автоматически генерировать normal maps из high-poly моделей через процесс baking

Отражающие поверхности: Specular, Glossiness и SSR

Отражающие карты текстур определяют, как поверхность взаимодействует со светом в плане бликов и отражений. Эти карты критически важны для создания реалистичных материалов, поскольку именно характер отражения света наиболее явно сигнализирует нашему мозгу о типе материала. 🌟

Specular Map (карта бликов) контролирует интенсивность зеркальных отражений на поверхности. В классическом пайплайне это черно-белая текстура, где белые области максимально отражают свет, а черные — не создают бликов вообще. В PBR системах роль specular map часто разделена между несколькими картами.

Glossiness Map (карта глянцевости) определяет насколько поверхность гладкая и сфокусированная в своих отражениях. Высокие значения glossiness (белый цвет) создают четкие, концентрированные блики, характерные для полированных поверхностей. Низкие значения (темные области) дают размытые отражения, типичные для шероховатых материалов.

Roughness Map — по сути, инверсия glossiness map. Высокие значения (белый) означают шероховатую поверхность с диффузным отражением, низкие (черный) — гладкую, полированную поверхность. Во многих современных PBR системах Roughness используется чаще, чем Glossiness.

Screen Space Reflections (SSR) — техника рендеринга, которая использует уже отрендеренную сцену для создания реалистичных отражений. SSR не является картой текстуры в традиционном смысле, но это важная технология, дополняющая работу отражающих карт в реальном времени.

Вот как различные отражающие карты влияют на внешний вид материалов:

• Металлы имеют высокие значения Specular и варьирующиеся значения Roughness/Glossiness в зависимости от полировки
• Пластики имеют умеренные значения Specular и обычно высокие значения Glossiness для глянцевых типов
• Ткани характеризуются низким Specular и высоким Roughness, за исключением шелковых или синтетических материалов
• Жидкости (вода, масло) имеют высокий Specular и очень низкий Roughness
• Кожа требует тонкой настройки с умеренным Specular и варьирующимся Roughness для разных участков

В современных PBR системах спецификация отражающих свойств часто разделяется между несколькими специализированными картами:

Screen space reflections (SSR) заслуживают особого внимания. Эта технология:

• Создает динамические отражения, основанные на содержимом экрана
• Работает только с объектами, видимыми на экране (главное ограничение)
• Часто комбинируется с кубическими картами отражений (cubemaps) для заполнения "пробелов"
• Значительно повышает реализм сцен с минимальными затратами на подготовку ресурсов
• Широко применяется в современных игровых движках для создания луж, мокрых поверхностей и полированных материалов

Специализированные карты: Ambient Occlusion, Metalness, Emission

Помимо основных карт текстур, современные 3D системы используют ряд специализированных карт для достижения максимальной реалистичности и оптимизации рабочего процесса. Эти карты решают конкретные задачи и часто используются в комбинации с основными текстурами. 💡

Ambient Occlusion (AO) — карта, имитирующая мягкие тени в местах, где свет труднодоступен (углы, щели, складки). AO добавляет глубину и объем объектам, делая их визуально более убедительными. Эта карта обычно черно-белая, где темные области указывают на затенение.

Применение AO карт значительно улучшает восприятие формы и пространственных отношений между элементами 3D модели. Они особенно эффективны для:

• Архитектурных визуализаций с множеством углов и закоулков
• Органических моделей с складками и впадинами
• Состаренных поверхностей, где грязь собирается в труднодоступных местах
• Сложных механических объектов с множеством деталей
• Усиления контраста и читаемости формы в стилизованной графике

Metalness Map — ключевой элемент современного PBR-текстурирования, определяющий, какие части поверхности являются металлическими, а какие — диэлектрическими (неметаллическими). Металлические поверхности отражают свет иначе, чем неметаллические, и Metalness map позволяет рендеру правильно обработать эти различия.

Основные принципы работы с Metalness картами:

1. Обычно это бинарная или почти бинарная карта: 0 (черный) для неметаллов, 1 (белый) для чистых металлов
2. Промежуточные значения используются редко, в основном для грязных или окисленных металлов
3. Металлические части должны иметь очень темный Albedo (обычно серый 50-70 в RGB)
4. При работе с металлами цветовая информация переносится в отражения, а не в диффузный цвет
5. Неправильная настройка металличности — одна из самых распространенных ошибок начинающих текстурщиков

Emission Map (карта излучения) контролирует, какие части объекта излучают собственный свет. Это критически важно для неоновых вывесок, ламп, дисплеев, лавы и других светящихся элементов. Emission maps часто используются с HDR-значениями для создания эффекта свечения, превышающего стандартный диапазон яркости.

Subsurface Scattering (SSS) карты определяют, насколько свет проникает и рассеивается под поверхностью материала. Этот эффект критически важен для реалистичного представления кожи, воска, мрамора, молока и других полупрозрачных материалов.

Height Map часто путают с Displacement map, но в некоторых системах они используются по-разному. Height map может служить для параллаксного маппинга (parallax mapping) — техники, которая создает иллюзию глубины без изменения геометрии, манипулируя UV-координатами при рендеринге.

Anisotropy Map контролирует направленное отражение света, характерное для материалов с выраженной направленной структурой, таких как щеткованный металл, волосы или CD-диски.

Выбор специализированных карт и их комбинаций зависит от конкретных требований проекта и целевой платформы. Вот некоторые рекомендации по оптимизации:

• Используйте упаковку каналов — размещение разных карт в RGB каналы одной текстуры для экономии памяти
• Оценивайте, какие карты действительно необходимы для данного материала (не все материалы нуждаются во всех картах)
• Для мобильных платформ и VR сокращайте количество текстурных семплов, комбинируя информацию
• Для фотореалистичных рендеров высокого качества используйте полный набор карт в высоком разрешении
• Используйте процедурные подходы для создания карт, где это возможно, для экономии времени и обеспечения гибкости

В мире 3D-графики текстурные карты — это язык, на котором мы рассказываем рендеру, как свет должен взаимодействовать с нашими объектами. Освоение этого языка открывает безграничные возможности для создания убедительных и захватывающих визуальных эффектов. Независимо от того, создаете ли вы фотореалистичные архитектурные визуализации, персонажей для игр или стилизованные анимации, глубокое понимание различных типов текстурных карт и их взаимодействия позволит вам добиться потрясающих результатов с оптимальным использованием ресурсов. И помните: за каждым впечатляющим 3D изображением стоит тщательно спланированная система текстурных карт, работающих в гармонии.

Читайте также

• Текстурирование в 3D-графике: основы для начинающих художников
• Текстурирование в 3ds Max: как вдохнуть жизнь в 3D-модели
• 5 техник создания идеальных бесшовных текстур в Photoshop
• Текстурирование в Blender: от базовых навыков до PBR-материалов
• Бесшовные текстуры: создание и применение в дизайне и 3D-моделировании
• Текстуры в архитектуре: как фактуры превращают здания в сенсорные скульптуры
• Создание текстур в Photoshop: от новичка до мастера за 5 шагов
• Текстурирование 3D моделей: от серых объектов к реалистичным
• Substance Painter: руководство по текстурированию 3D-моделей
• Создание текстур: 5 профессиональных шагов для дизайнера