Bump-Mapping: Bump Mapping: Erforschung der Tiefe der Computer Vision

Von Fouad Sabry

Was ist Bump Mapping?

Das Erzeugen des Erscheinungsbilds von Unebenheiten und Falten auf der Oberfläche eines Objekts ist das Ziel der Texturabbildungstechnik, die als Bump-Mapping bekannt ist und in der Computergrafik verwendet wird. Dies kann erreicht werden, indem die Oberflächennormalen des Objekts gestört werden und dann die gestörte Normale in den Berechnungen verwendet wird, die für die Beleuchtung durchgeführt werden. Das Endergebnis ist eine Oberfläche, die eher holprig als glatt erscheint, obwohl die Oberfläche des Objekts, an dem gerade gearbeitet wird, unverändert bleibt. Im Jahr 1978 legte James Blinn den Grundstein für das Konzept des Bump-Mappings.

Wie Sie davon profitieren

(I) Erkenntnisse und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Bump-Mapping

Kapitel 2: Texturzuordnung

Kapitel 3: Normale Zuordnung

Kapitel 4: Beleuchtung pro Pixel

Kapitel 5: Höhenkarte

Kapitel 6: Selbstbeschattung

Kapitel 7: Verschiebungskartierung

Kapitel 8: Kollisionserkennung

Kapitel 9: Gouraud-Schattierung

Kapitel 10: Phong-Schattierung

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zum Bump-Mapping.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz von Bump-Mapping in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch ist

Fachleute, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler und diejenigen, die für jede Art von Bump Mapping über das Grundwissen oder die Informationen hinausgehen möchten.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 5. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Bump-Mapping

Bumpmapping

Das Normal-Mapping ist die am weitesten verbreitete Art des Relief-Mappings.

Bump-Mapping ist eine Technik in der Computergrafik, die geringfügige Oberflächenverschiebungen simuliert, um eine angezeigte Oberfläche realistischer erscheinen zu lassen. Im Gegensatz zum Displacement-Mapping wird die Oberflächengeometrie jedoch nicht verändert. Stattdessen wird nur die Oberflächennormale angepasst, um eine Verschiebung zu simulieren. Die geänderte Oberflächennormale wird dann für Beleuchtungsberechnungen verwendet (z. B. unter Verwendung des Phong-Reflexionsmodells), was zu einer Oberfläche führt, die detailliert und nicht glatt erscheint.

Das Relief-Mapping ist deutlich schneller und verbraucht weniger Ressourcen als das Displacement-Mapping bei gleichem Detailgrad, da die Geometrie unverändert bleibt.

Neben der Verbesserung des Tiefengefühls gibt es Erweiterungen, die andere Oberflächeneigenschaften verändern. Horizon Mapping und Parallax Mapping sind zwei dieser Erweiterungen. Daher bleiben Silhouetten und Schatten unverändert, was besonders bei größeren simulierten Verschiebungen auffällt. Diese Einschränkung kann durch den Einsatz von Techniken wie dem Displacement-Mapping umgangen werden, bei dem Bumps auf der Oberfläche oder einer Isofläche platziert werden.

Es gibt zwei grundlegende Bump-Mapping-Techniken. Bei der ersten Methode wird die Oberflächenverschiebung mithilfe einer Höhenkarte simuliert, was zu einer geänderten Normalen führt. Dies ist die von Blinn entwickelte Technik, die in der Regel als Bump-Mapping bezeichnet wird, sofern nicht anders angegeben. Die Schritte dieser Methode sind wie folgt zusammengefasst.

Bevor eine Beleuchtungsberechnung für jeden sichtbaren Punkt (oder Pixel) auf der Oberfläche eines Objekts durchgeführt wird, wird die Oberfläche des Objekts zugeordnet:

Konsultieren Sie die Höhe in der Höhenkarte, die der Oberflächenposition entspricht.

Berechnen Sie die Oberflächennormale der Heightmap, häufig mit der Finite-Differenzen-Methode.

Kombinieren Sie die Flächennormale des zweiten Schritts mit der echten (geometrischen) Flächennormalen, sodass die kombinierte Normale in eine andere Richtung zeigt.

Berechnen Sie die Wechselwirkung zwischen der neuen holprigen Oberfläche und den Szenenlichtern mithilfe eines Modells wie dem Phong-Reflexionsmodell.

Dadurch scheint die Oberfläche eine tatsächliche Tiefe zu haben. Das Programm stellt auch sicher, dass sich das Erscheinungsbild der Oberfläche ändert, wenn die Beleuchtung der Szene manipuliert wird.

Alternativ können Sie eine Normalenkarte mit der aktualisierten Normalen für jeden Oberflächenpunkt angeben. Da die Normale direkt bereitgestellt wird und nicht aus einer Höhenkarte berechnet wird, führt diese Technik in der Regel zu besser vorhersagbaren Ergebnissen. Dies vereinfacht den Prozess für Künstler und macht es zur heute am weitesten verbreiteten Art des Bump-Mappings.

Echtzeit-3D-Grafikprogrammierer verwenden häufig Varianten des Ansatzes, um Bump-Mapping mit reduziertem Rechenaufwand zu replizieren.

Eine beliebte Methode bestand darin, eine feste Geometrie zu verwenden, die es erlaubt, die Heightmap-Oberflächennormale praktisch direkt anzuwenden. In Verbindung mit einer vorberechneten Lookup-Tabelle für Beleuchtungsberechnungen kann die Methode mit einer sehr einfachen und schnellen Schleife implementiert werden, die Vollbildeffekte ermöglicht. Diese Technik war weit verbreitet, als das Bump Mapping zum ersten Mal entwickelt wurde.

{Ende Kapitel 1}

Kapitel 2: Textur-Mapping

Textur-Mapping ist eine Technik, die verwendet wird, um eine Textur auf ein computergeneriertes Bild abzubilden. Bei der Textur kann es sich in diesem Zusammenhang um hochfrequente Details, Oberflächentexturen oder Farben handeln.

1974 entwickelte Edwin Catmull die erste Version der Methode.

Textur-Mapping bezog sich ursprünglich auf Diffuse Mapping, eine Methode, bei der einfach die Pixel einer Textur auf eine 3D-Oberfläche gemappt wurden (das Bild um das Objekt gewickelt wurde). In den letzten Jahrzehnten haben das Aufkommen von Multi-Pass-Rendering, Multitexturing, Mipmaps und komplexeren Mappings wie Height-Mapping, Bump-Mapping, Normal Mapping, Displacement Mapping, Reflection Mapping, Specular Mapping, Occlusion Mapping und vielen Variationen der Technik (gesteuert durch ein Materialsystem) es ermöglicht, nahezu fotorealistisch in Echtzeit zu simulieren, indem die Anzahl der Polygone und Beleuchtungsberechnungen, die für die Erstellung einer Szene erforderlich sind, drastisch reduziert wurde.

Eine Oberflächenkarte: Dies kann entweder eine Bitmap oder eine generierte Textur sein. Sie können in Standard-Bilddateiformaten gespeichert, durch 3D-Modellformate oder Materialbeschreibungen referenziert und in Ressourcenpaketen gebündelt werden.

Sichtbare Oberflächen können 1-3 Dimensionen haben, wobei zwei Dimensionen am häufigsten vorkommen. Textur-Map-Daten können in gemischter oder gekachelter Reihenfolge gespeichert werden, um die Cache-Kohärenz zu erhöhen, wenn sie mit moderner Technologie verwendet werden. Rendering-APIs verwalten häufig Texturmap-Ressourcen (die sich