UV-развёртка и текстуры: плотность, атлас, запекание

Материал из главы «Материалы, свет и рендер» — это четыре числа: цвет, шероховатость, металличность, прозрачность. Такой материал одинаков во всех точках поверхности. Как только понадобилось, чтобы на боку была надпись, на дне — потёртость, а на ручке — другой оттенок, чисел перестаёт хватать: нужна картинка, натянутая на поверхность.

Чтобы натянуть картинку, поверхность надо разложить на плоскость. Это и есть UV-развёртка: каждой вершине меша сопоставляется точка на квадрате текстуры. Буквы U и V взяты просто потому, что X, Y и Z уже заняты.

Сначала — вопрос, нужны ли они вообще

Робот из главы «Живой кейс» не имеет текстур. Ни одной. Весь его вид — шесть слотов материалов с именами по роли: Robot_Shell, Robot_Visor, Robot_Gold и так далее, каждому назначен Principled BSDF с четырьмя числами.

Это не бедность, а решение, и оно окупилось трижды.

• Вес. Ассет без текстур весит ровно столько, сколько весит геометрия. Одна текстура 2048×2048 добавила бы к файлу больше, чем весь меш.
• Перекраска в рантайме. Цвет живёт в слоте, а не в пикселях, поэтому бирюзовая и коралловая команды — это одна модель с разной подстановкой. С текстурой пришлось бы держать два комплекта картинок.
• Никакой развёртки. Ни швов, ни плотности, ни запекания, ни половины этой главы.

Отсюда первое правило: развёртка нужна не всегда, и решать это надо до, а не после. Если объект описывается плоскими цветами и лаковыми поверхностями — слотов достаточно. Если на нём должна быть грязь, надписи, следы использования, переходы — без текстур не обойтись, и дальше начинается работа, описанная ниже.

Граница проходит примерно так:

Развёртка кодом

Автоматическая развёртка в Blender — оператор, и это сразу означает разговор про контекст:

import bpy, math

bpy.context.view_layer.objects.active = obj
bpy.ops.object.mode_set(mode='EDIT')
bpy.ops.mesh.select_all(action='SELECT')
bpy.ops.uv.smart_project(angle_limit=math.radians(66), island_margin=0.02)
bpy.ops.object.mode_set(mode='OBJECT')

angle_limit задаётся в радианах, хотя в интерфейсе показан в градусах, — классический источник развёртки, разрезанной в неожиданных местах. math.radians здесь не украшение.

island_margin — зазор между кусками развёртки. Ноль выглядит экономно и почти всегда неправилен: при уменьшении текстуры (mip-уровни) соседние пиксели смешиваются, и краска с одного острова заползает на другой. Симптом — тонкая чужая полоска по краю детали, заметная только издалека, то есть ровно тогда, когда её труднее всего связать с причиной.

Ловушка с контекстом. Операторы bpy.ops.uv.* ожидают, что их зовут из области, где развёртка вообще возможна. В интерактивном Blender, поднятом под Xvfb по рецепту из главы «Как устроена связка», такая область есть, и код выше работает как есть. В фоновом blender -b, куда вы позже унесёте пакетную сборку (глава 12), окна нет — и часть операторов там отказывает. Набор отказывающих зависит от версии, поэтому единственный надёжный способ — прогнать свой скрипт в -b до того, как вы повесите на него сборку, а не после.

Швы задаются правилом, а не вкусом

Автоматика режет модель там, где ей удобно. Художник режет там, где шов не видно: в углублениях, на границах материалов, с изнанки. Агент не знает, что такое «не видно», — но он знает геометрию, и правило можно сформулировать в терминах геометрии:

import bmesh

bm = bmesh.new()
bm.from_mesh(obj.data)
for edge in bm.edges:
    if len(edge.link_faces) == 2 and edge.calc_face_angle() > math.radians(50):
        edge.seam = True          # режем по резким рёбрам
bm.to_mesh(obj.data)
bm.free()

Дальше unwrap уважает выставленные швы. Смысл приёма не в том, что так лучше всегда, а в том, что решение стало выражаемым: «режем по рёбрам резче 50°» — это правило, которое можно записать в бриф, проверить на готовой модели и повторить на следующей. «Режь красиво» — нельзя.

Та же мысль, что в главе про кейс: бриф состоит из проверяемых утверждений.

Плотность текселя — число, а не ощущение

Главный критерий качества развёртки — сколько пикселей текстуры приходится на метр поверхности. По-русски это называют плотностью текселя (тексель — пиксель текстуры, «приземлённый» на модель).

Считается это отношением площадей: сколько квадрата развёртки занял объект и сколько у него квадратных метров поверхности. Если развёртка заняла половину квадрата, площадь поверхности — 2 м², а текстура 2048×2048, то на метр приходится 2048 × √0,5 / √2 = 1024 пикселя.

def texel_density(obj, texture_size):
    mesh = obj.data
    mesh.calc_loop_triangles()
    uv = mesh.uv_layers.active.data
    uv_area = world_area = 0.0
    for tri in mesh.loop_triangles:
        a, b, c = (uv[i].uv for i in tri.loops)
        uv_area += abs((b - a).cross(c - a)) / 2
        world_area += tri.area
    return texture_size * (uv_area ** 0.5) / (world_area ** 0.5)

Зачем это нужно, видно на первой же сцене, собранной из разных ассетов. Если у доски 200 пикселей на метр, а у фигуры 800, то в одном кадре стоят мыло и бритва. Глаз замечает не абсолютную резкость, а разницу — и разница читается как «эта модель из другой игры».

Договорённость проекта может выглядеть так:

Числа в этой таблице — договорённость, а не закон природы. Важно не то, какие они, а то, что они одинаковы у всех ассетов проекта и записаны там, где их видно. Проверка плотности — три строки кода, поэтому ей место в приёмке рядом с бюджетом треугольников из предыдущей главы.

Дешёвая проверка на перекрытие

В чек-листе приёмки из главы про кейс есть пункт «UV не перекрываются непреднамеренно». Точная проверка перекрытия — задача про пересечение многоугольников, дорогая и нудная. Но есть необходимое условие, которое считается мгновенно: сумма площадей островов не может превышать площадь квадрата развёртки.

assert uv_area <= 1.0, f"острова UV занимают {uv_area:.2f} — перекрытие гарантировано"

Если сумма больше единицы — перекрытие есть точно, разбираться не нужно. Если меньше — перекрытие всё ещё возможно, но проверка хотя бы отсеяла грубый случай за одну операцию.

Это общий приём, стоящий отдельного внимания: дешёвое необходимое условие часто ловит почти все реальные ошибки. Не всегда нужно писать точную проверку; иногда достаточно проверки, которая не пропускает то, что ломается чаще всего. Строгая проверка, которую никто не запускает, стережёт хуже приблизительной, которая идёт в каждой сборке.

Заметьте, что перекрытие бывает и намеренным: симметричные детали часто кладут друг на друга, чтобы вдвое поднять плотность. Поэтому в чек-листе стоит слово «непреднамеренно», и поэтому проверка выдаёт предупреждение с числом, а не запрет.

Атлас: одна текстура на много объектов

Развёртка нескольких объектов в общий квадрат называется атласом. Выгода — не в качестве картинки, а в числе вызовов отрисовки: объекты с общим материалом движок рисует одним пакетом.

bpy.ops.object.select_all(action='DESELECT')
for o in objects:
    o.select_set(True)
bpy.context.view_layer.objects.active = objects[0]

bpy.ops.object.mode_set(mode='EDIT')
bpy.ops.mesh.select_all(action='SELECT')
bpy.ops.uv.smart_project(angle_limit=math.radians(66), island_margin=0.02)
bpy.ops.object.mode_set(mode='OBJECT')

Цена атласа — связность. Пока всё в одной текстуре, добавить один объект значит пересобрать развёртку всех, а значит переснять все запечённые карты. Для набора, который меняется редко (модульные детали уровня, набор ящиков), это выгодно. Для ассета, который переделывают каждый день, атлас превращается в тормоз.

Запекание: перенести детали с тяжёлой модели на лёгкую

Запекание — это рендер свойств одной поверхности в текстуру другой. Классический случай: есть подробная модель на 400 тысяч треугольников (у нас она уже была — та самая кружка из главы «Экспорт в GLB») и облегчённая на 8 тысяч. Мелкий рельеф с первой переносится во вторую картинкой — картой нормалей, — и лёгкая модель выглядит почти как тяжёлая.

scene = bpy.context.scene
scene.render.engine = 'CYCLES'
scene.cycles.device = 'CPU'
scene.render.bake.use_selected_to_active = True
scene.render.bake.cage_extrusion = 0.02

bpy.ops.object.select_all(action='DESELECT')
high.select_set(True)                       # источник
low.select_set(True)
bpy.context.view_layer.objects.active = low # приёмник
bpy.ops.object.bake(type='NORMAL')

Три вещи, о которых стоит знать заранее.

Запекание идёт только в Cycles. Это ровно тот случай, где вывод главы «Материалы, свет и рендер» работает на нас: на сервере без видеокарты Cycles на процессоре — не компромисс, а лучший доступный вариант.

Оно небыстрое. Карта 2048×2048 с окружающим затенением на восьми ядрах — это минуты, а не секунды, и растёт квадратично от размера. Первый прогон делайте на 512×512: ошибку в настройке клетки (cage_extrusion) видно и на маленькой карте, а ждать в шестнадцать раз меньше.

Приёмник должен быть развёрнут. Запекать некуда, если у лёгкой модели нет UV. Порядок операций жёсткий: сокращение → развёртка → запекание → экспорт. Переставите местами первые два — придётся повторять третий.

Где на самом деле лежит вес

Проверим файл тем же способом, что в главе про экспорт: разбором GLB без сторонних библиотек. Только теперь смотрим не на треугольники, а на картинки.

images = gltf.get("images", [])
views = gltf.get("bufferViews", [])
for img in images:
    if "bufferView" in img:
        size = views[img["bufferView"]]["byteLength"]
        print(f'{img.get("name", "?"):20s} {img.get("mimeType", "?"):12s} {size/1024:8.0f} КБ')

Порядок величин, который стоит держать в голове: одна карта 2048×2048 в PNG — это единицы мегабайт, а полный набор физически корректных материалов (цвет, нормали, шероховатость с металличностью, окружающее затенение) — это четыре такие карты. То есть комплект текстур для одного объекта легко весит больше, чем вся геометрия сцены.

Отсюда рычаги, и они не те же, что для геометрии:

Последняя строка не шутка: именно её выбрал робот из главы про кейс.

Что дальше

У нас есть лёгкая геометрия и текстуры на ней. Модель по-прежнему неподвижна: в разборе GLB из главы про экспорт строки клипы и кости пустые, и в главе про кейс генератор моделей был отвергнут в том числе за то, что его результат нечем анимировать.

Дальше — «Арматура, скиннинг и анимация»: как ассет начинает двигаться, почему у робота из твёрдых деталей скиннинг лучше делать вручную, чем автоматикой, и когда анимацию честнее вообще не класть в файл.