位移图终极教程：从入门到精通

什么是位移图？

想象一下，你有一张平坦的纸张，上面画着一个方形的盒子，你想让这个盒子看起来是三维的，有凹凸感，你可以用手指在纸背面按压，让盒子部分凸起，让周围部分凹陷。位移图 就像你那根无形的手指，它告诉软件如何去“按压”一个物体的表面,从而创造出真实的凹凸和深度感。

displacement map教程
（图片来源网络，侵删）

核心概念： 位移图是一张灰度图，图中的颜色亮度决定了物体表面顶点 的位移方向和距离。

  • 白色 (亮度值 255): 将顶点沿法线方向向外推到最远。
  • 黑色 (亮度值 0): 将顶点沿法线方向向内拉到最远。
  • 灰色 (亮度值 128): 不发生位移,保持原始位置。

与法线贴图的关键区别： 这是初学者最容易混淆的地方,非常重要。

特性 位移图 法线贴图
原理 真实地移动模型的顶点，改变模型的几何结构。 只是欺骗光照，模拟凹凸效果，顶点位置不变。
效果 真实阴影和轮廓边缘会随着凹凸而改变。 阴影和轮廓是假的，从侧面看依然是平滑的。
性能 消耗性能高，因为需要重新计算大量几何体。 消耗性能低，只改变像素着色，适合游戏和实时渲染。
使用 静态渲染、高精度细节、需要真实物理交互的场景。 游戏实时渲染、移动端、对性能要求高的场景。

位移是“真”的凹凸，法线是“假”的凹凸。

软件中的设置与工作流程

我们以最主流的 3D 软件为例,讲解如何使用位移图。

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（图片来源网络，侵删）

通用工作流程：

  1. 准备模型： 创建一个基础模型（如一个平面、球体）。
  2. 准备贴图： 获取一张高质量的位移图（灰度图）。
  3. 应用材质： 创建一个标准材质/着色器。
  4. 连接贴图： 将位移图连接到材质的 Displacement (位移) 或 Height (高度) 通道。
  5. 调整参数： 设置 Displacement Strength (位移强度)。
  6. 渲染设置： 在渲染器中启用 Displacement (位移) 并设置适当的 Height (高度/细分)。

在 Blender (Cycles & Eevee) 中使用

以 Cycles 渲染器为例 (最常用)：

  1. 创建平面： 添加一个平面，将其 Subdivision Surface (细分曲面) 修改器的 Levels (层级) 调高到 5 或 6,这样模型才有足够的细节来产生位移。

  2. 创建材质： 按下 N 打开侧边栏，切换到 Material Properties (材质属性)，新建一个 Principled BSDF 材质。

  3. 连接位移图：

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    （图片来源网络，侵删）
    • 在材质预览窗口中，找到 Displacement (位移) 节点。
    • 点击 Color (颜色) 旁边的空白处，选择 Image Texture (图像纹理)。
    • 在 Image Texture 节点中,加载你的位移图文件。
    • 重要： 确保 Image Texture 节点的 Color Space (色彩空间) 设置为 Non-Color (非色彩)，因为位移图是数据，不是颜色,这个设置能保证灰度值被正确读取。

  4. 调整位移强度：

    • 在 Displacement 节点中，调整 Scale (缩放) 值，这个值就是你的位移强度，正值向外，负值向内,根据你的贴图和需求来调整。

  5. 启用渲染器位移：

    • 切换到 Render Properties (渲染属性)。
    • 勾选 Displacement (位移) 选项。
    • 设置 Medium (介质) 为 PolyMesh (多边形网格)。
    • 关键： 调整 Max Displacement (最大位移)，这个值必须大于你材质中设置的 Displacement Scale,否则效果会被裁剪。
    • 调整 Height (高度)，这个值控制渲染时为了产生位移而添加的细分级别，值越高，细节越丰富,但渲染时间也越长。

在 Eevee 中使用： Eevee 的位移是“虚拟”的，通过 Tessellation (曲面细分) 实现，效果不如 Cycles 真实,但速度快。

  • 设置与 Cycles 类似，但在 Render Properties 中，需要勾选 Use Displacement (使用位移) 并设置 Tessellation (曲面细分) 的 Level (级别)。

在 3ds Max 中使用

  1. 准备模型： 同样，给模型添加 TurboSmooth 或 Displace 修改器,增加足够的细分。
  2. 应用材质： 打开材质编辑器，创建一个 Standard (标准) 材质。
  3. 设置贴图：
    • 在 Maps (贴图) 卷展栏下，找到 Displacement (位移) 贴图通道。
    • 点击 None 按钮,选择你的位移图文件。
    • 在 Bitmap 参数面板中，确保 Output (输出) 卷展栏下的 RGB Level (RGB 级别) 为 1.0 (默认)。
  4. 调整强度：
    • 返回到材质的 Maps 卷展栏，调整 Displacement 后面的数值,这就是位移强度。
  5. 渲染设置：
    • 按 F10 打开渲染设置对话框。
    • 在 Renderer (渲染器) 选项卡中，找到 Displacement (位移) 选项。
    • 勾选 Enable (启用)。
    • 设置 Type (类型) 为 2-Sided (双面) 或 3-Sided (三面) 通常效果更好。
    • 调整 Mesh (网格) 下的 Max Tessellation (最大细分) 值,以控制细节级别。

在 Maya 中使用

  1. 准备模型： 选中模型，在 Modify > Add New Attribute (添加新属性) 中添加一个自定义浮点属性，displacement_strength。
  2. 创建材质： 打开 Hypershade，创建一个 lambert 或 standardSurface 材质。
  3. 应用贴图：
    • 在材质的 Place2DTexture 节点上，右键 -> Create New Connection (创建新连接)。
    • 连接到 file (文件) 节点,并加载你的位移图。
    • 将 file 节点的 outColor (输出颜色) 连接到材质的 displacement (位移) 属性。
  4. 使用渲染节点：
    • 在 Hypershade 中，创建一个 displacementShader (位移着色器) 节点。
    • 将你的材质节点拖到 displacementShader 的 input (输入) 上。
    • 将 displacementShader 拖到场景中的模型上。
  5. 调整强度：
    • 在 displacementShader 节点上，你会看到一个 Value (值) 属性,这就是位移强度。
    • 或者，将之前创建的 displacement_strength 属性连接到 displacementShader 的 Value 上,这样就可以在通道盒中方便地调整。
  6. 渲染设置：
    • 打开 Render Settings (渲染设置)。
    • 在 Features (特性) 选项卡中，确保 Displacement (位移) 已勾选。
    • 在 Quality (质量) 选项卡中，调整 Displacement (位移) 下的 Extra Tessellation (额外细分) 值。

如何创建或获取高质量的位移图？

没有好的源文件,再好的设置也白搭。

  1. 从高模烘焙 (最佳方式):

    • 这是行业标准做法，创建一个超高精度的“高模”（包含所有细节），再创建一个平滑的“低模”（作为最终渲染的模型）。
    • 使用软件的烘焙功能（如 Blender 的 Bake、3ds Max的 Render to Texture、Maya的 Transfer Maps），将高模的顶点信息烘焙成法线贴图和高度贴图/位移贴图。
    • 很多烘焙工具可以直接输出 .exr 格式的位移图，它提供了比 8 位 JPG 更高的精度。

  2. 购买现成的资源:

    • 像Textures.com, Quixel Megascans, TurboSquid 等网站提供了大量 PBR 材质包，这些材质包通常都包含了位移图，文件名通常是 displacement.exr 或 height.png。

  3. 使用程序化生成:

    使用 Substance Designer 等程序化材质软件，可以生成各种独特的、无缝的位移贴图。

  4. 转换法线贴图 (效果有限):

    • 在没有位移图的情况下，可以尝试用法线贴图来模拟，在 Blender 中，可以使用 Bump (凹凸) 节点连接法线贴图，但这只是视觉效果,不是真正的位移。

进阶技巧与常见问题

技巧 1：组合使用 在实际应用中,你常常会组合使用多种贴图：

  • Albedo/Diffuse (颜色): 定义基础颜色。
  • Roughness (粗糙度): 定义表面光滑程度。
  • Metallic (金属度): 定义金属属性。
  • Normal (法线): 提供日常的凹凸感,速度快。
  • Displacement (位移): 在需要真实阴影和轮廓的关键区域提供真实深度。

技巧 2：利用混合遮罩 你可能不希望整个物体都产生位移，可以创建一张遮罩贴图，将位移效果混合到特定区域，一张只有砖块部分是白色、水泥部分是黑色的图，用它来控制位移,就只有砖块会凸起。

常见问题 1：效果很弱或没有

  • 检查设置： 确认在渲染器中启用了位移功能。
  • 检查强度： Displacement Strength (位移强度) 或 Scale (缩放) 值是否太小？
  • 检查高度/细分： 渲染器中的 Height (高度) 或 Tessellation (细分) 值是否太低？模型没有足够的顶点来产生位移。
  • 检查贴图： 确认贴图是灰度图，并且加载到了正确的 Displacement 通道，而不是 Bump 或 Diffuse 通道。

常见问题 2：出现破面或黑斑

  • 细分不足： 这是主要原因，模型本身的细分级别不够，或者渲染器设置的 Height 太低，导致顶点在被拉伸时“断裂”。
  • 解决方案： 增加细分，可以增加模型的 Subdivision Surface 修改器层级，或者在渲染器中提高 Max Tessellation / Extra Tessellation 的值。

常见问题 3：渲染时间过长

  • 位移是性能杀手,因为它极大地增加了多边形的数量。
  • 解决方案：
    • 合理使用： 只在相机近处或需要高细节的关键物体上使用位移。
    • 优化设置： 找到 Height 和 Quality 之间的最佳平衡点,不要无休止地增加细分。
    • 使用置换： 在某些情况下，Displace 修改器（如 3ds Max 中）比渲染器自带的位移更高效。

位移图是一个强大但需要谨慎使用的工具,它通过真实地改变模型几何来创造出无与伦比的细节和真实感。

记住核心要点：

  1. 位移是“真”的，改变顶点位置。
  2. 白色向外推，黑色向内拉，灰色不动。
  3. 设置 = 贴图 + 强度 + 渲染器启用 + 足够的细分。
  4. 性能开销大，用在刀刃上。

多加练习，尝试在不同软件中设置，并观察渲染结果,你会很快掌握这个能极大提升你作品质量的利器。