D-Texturen. Reflectance Mapping 3D-Texturen. Farbtexturen

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Claus Zimmermann
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2D-Texturen Texturarten Abbildung Transformationen Generierung Thomas Jung Reflectance Mapping 3D-Texturen Modellierung von Details erfordert Zeit Darstellung ist aufwendig (langsam) Details belegen

1 2D-Texturen Texturarten Abbildung Transformationen Generierung Thomas Jung Reflectance Mapping 3D-Texturen Modellierung von Details erfordert Zeit Darstellung ist aufwendig (langsam) Details belegen Speicherplatz Bei der Übertragung Bandbreite Texturen schaffen Abhilfe Farbtexturen ab OpenGL 1.0! Bumpmaps Mit Hilfe von Shadern Anwendung mehrer Texturen gelichzeitig Multitexturing glactivetexture Bedienung Paul Baker: R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A Verankerung der Textur an den Polygonecken p 1, p 2, p 3 Abbildung Jedes digitale Bild als Farbtextur verwendbar Texturen werden auf 3D-Objektoberflächen geklebt mit Hilfe von Texturkoordinaten Jedes Polygon kann eigene Textur besitzen Adressierung der Textur mit u,v von [0...1] Bildgröße egal Interpolation während der Rasterung Polygon Textur 1

Explizite Festlegung von Texturkoordinaten Für alle Polygoneckpunkte Z. B.

Mapping-Geometrie ähneln Automatische Generierung Geometrie bestimmt die Texturkoordinaten Z.

Bestandteil eines Shaders OpenGL3 unterstützt dabei Cubemaps Zylindrisches Mapping Spherisches Mapping Textur Spart Texturspeicher Beschreibung durch

GL_TEXTURE_WRAP_S/T, GL_REPEAT); gltexparameter(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_WRAP_S/T, GL_CLAMP); weitere Modi in OpenGL3 3 t OpenGL unterstützt vier

bei 2-stufigen Projektionen Texturtransformationen vor Verwendung der Koordinaten (ggf.

2 Explizite Festlegung von Texturkoordinaten Für alle Polygoneckpunkte Z. B. durch Modellierwerkzeug Strahl vom Objektmittelpunkt durch Oberfläche zur Mapping-Geometrie liefert Texturkoordinaten Für Objekte, die Mapping-Geometrie ähneln Automatische Generierung Geometrie bestimmt die Texturkoordinaten Z. B Spline-Funktionen, glutsolidteapot(); Mapping-Funktion Gab es in OpenGL1 explizit Nun ggf. Bestandteil eines Shaders OpenGL3 unterstützt dabei Cubemaps Zylindrisches Mapping Spherisches Mapping Textur Spart Texturspeicher Beschreibung durch Texturkoordinaten > 1 0 bis n für n-malige Wiederholung Modulo 1 während der Rasterung Wiederholung ein/ausschaltbar gltexparameter(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_WRAP_S/T, GL_REPEAT); gltexparameter(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_WRAP_S/T, GL_CLAMP); weitere Modi in OpenGL3 3 t OpenGL unterstützt vier Texturkoordinaten [s t r q ] beinhaltet normalerweise [ u v 0 1 ] Koordinate r nur für 3D-Texturierung Koordinate q entspricht w Explizite Angabe nur bei 2-stufigen Projektionen Texturtransformationen vor Verwendung der Koordinaten (ggf. im Vertex Shader) (0 4) (4 4) 0 0 s 3 (0 0) (4 0) Rotation, Translation und Skalierung um Textur auf 3D- Oberfläche zu platzieren Texturkoordinaten kleben Texturen auf Ecken von 3D- Polygonen Mapping-Funktion (Linear, Zylindrisch, Spherisch) können Texturkoordinaten generieren (Modellierwerkzeug) Texturkoordinaten größer als eins ermöglichen die Wiederholung der Textur Texturtransformationen transformieren die Texturkoordinaten 2

xstart = xende = x1 dl = (xl x1) / (yende ystart) Anwendung (CPU) dr = (xr x1) / (yende ystart) fl = f1 dfl = (fl fs) / (yende ystart) df = (fr fl) / (xr xl) für y von

Interpolation (Quelle: https://www.opengl.org/wiki/file:renderingpipeline.

Bei Texturen entstehen auffällige Diskontinuitäten Von Heckbert und Moreton 1991 Bilineare Interpolation von 3 Werten (Tu*w Tv*w w) statt (Tu Tv) Pro Pixel : Tu = Tu*w / w w

3 xstart = xende = x1 dl = (xl x1) / (yende ystart) Anwendung (CPU) dr = (xr x1) / (yende ystart) fl = f1 dfl = (fl fs) / (yende ystart) df = (fr fl) / (xr xl) für y von ystart bis yende f = fl für x = xstart bis xende f = f + df generierepixel(x,y,f) xstart = xstart + dl xende = xende + dr fl = fl + dfl x x1 y yende ystart Bilineare Interpolation (Quelle: ) Bilineare Interpolation der Texturkoordinaten (Tu Tv) wie bei Farben (Fr Fg Fb) Perspektivische Verzerrung nicht berücksichtigt Bei der Farbinterpolation nicht störend Bei Texturen entstehen auffällige Diskontinuitäten Von Heckbert und Moreton 1991 Bilineare Interpolation von 3 Werten (Tu*w Tv*w w) statt (Tu Tv) Pro Pixel : Tu = Tu*w / w w ist die Komponente der projizierten Eckpunkte des Polygons vorher nachher w Farbtexturen Von OpenGL 1.0 unterstützt Bumpmaps Environmentmaps Displacementmaps durch Fragment Shader Nicht Bestandteil der Übungen Lightmaps Häufig in 3D-Spielen eingesetzt Paul Baker: 3

Simulation von Oberflächenstrukturen Hinsichtlich der Lichtreflektion

Normaleninkremente beschrieben Verändern der Normale pro Pixel Gemäß

Normalen: Normal Mapping Normalen werden interpoliert Pro Pixel wird

der neuen Pixelnormale n Phong- Schattierung Vereinfachte

Oberfläche Erzeugt korrekte Silhouetten Aufwändiger als Bumpmapping

erforderlich Bumpmapping Displacementmapping Environmentmap Strahlen

1-Stufige Reflexion Reflektierter Augvektor zum Zugriff in die Cubemap

Abbildungsfehler fällt nicht auf (Quelle Cubemap: http://tfc.duke.free.

Mauer Beleuchtung erfolgt bei der Gouraud- Schattierung aber nur an

4 Simulation von Oberflächenstrukturen Hinsichtlich der Lichtreflektion Oberflächenpunkte bleiben unverändert Bumps (Beulen) werden als Normaleninkremente beschrieben Verändern der Normale pro Pixel Gemäß der Bumpmap Erfordert Phong-Schattierung Einfaches Setzen der Normalen: Normal Mapping Normalen werden interpoliert Pro Pixel wird Normale inkrementiert gemäß Bumpmap-Werte bu, bv Beleuchtung anhand der neuen Pixelnormale n Phong- Schattierung Vereinfachte Implementierungen Für Gouraud-Schattierung b u b v Veränderung der Oberfläche Erzeugt korrekte Silhouetten Aufwändiger als Bumpmapping Displacementmap enthält Abstände zu Referenzoberfläche Hardware Shader erforderlich Bumpmapping Displacementmapping Environmentmap Strahlen vom Objektmittelpunkt in die Umgebung Speicherung in Würfel Rendering 1-Stufige Reflexion Reflektierter Augvektor zum Zugriff in die Cubemap Nur Reflexionsrichtung Oberflächenpunkt unberücksichtigt Abbildungsfehler fällt nicht auf (Quelle Cubemap: ) Große Polygone können durch Farbtexturen detailreich wirken Z. B. Mauer Beleuchtung erfolgt bei der Gouraud- Schattierung aber nur an den Ecken Phong-Highlights und lokale Beleuchtungen nicht möglich Lösung: Lightmapping (Demo von ) 4

Multitexturing-Verfahren Kombinieren von Lightmap und Farbtextur Unterschiedliche Texturabbildungen und Auflösungen

Mauer Translieren der Abbildung Skalieren der Abbildung Skalieren der Intensität Kombination von Texturen im Shader (ca.

(Quelle: http://gamedevelopment.tutsplus.

..); Texel sind Volumenelemente (Voxel) statt Pixel 3D-Texturen ermöglichen Volumenrendering in Echtzeit Speicherung in

Materialblock u v w glactivetexture R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A

Bestandteil von OpenGL Für Transparenz z. B.

sein: 2,4,8,16,... ( in höheren OpenGL-Versionen nicht mehr ) Texturen belegen Texturspeicher Auflösung maßgeblich!

5 Multitexturing-Verfahren Kombinieren von Lightmap und Farbtextur Unterschiedliche Texturabbildungen und Auflösungen Verschieben einer Punktlichtquelle kann bei unveränderter Lightmap realisiert werden Mauer-Textur Lightmap Lokal Beleuchtete Mauer Translieren der Abbildung Skalieren der Abbildung Skalieren der Intensität Kombination von Texturen im Shader (ca. 2010) Lineares Mapping Triplanares Mapping Nur aus einer Richtung Aus drei orthogonalen Richtungen, Ergebnisse verblenden (Quelle: ) OpenGL: glteximage3d(...); Texel sind Volumenelemente (Voxel) statt Pixel 3D-Texturen ermöglichen Volumenrendering in Echtzeit Speicherung in dreidimensionalem Array Prozedurale Texturierung mindert Speicherbedarf Definition einer Funktion F(x,y,z) Auch für 2D-Texturen möglich! Zugriff auf Textur anhand der 3D-Koordinate auf der Objektoberfläche Entspricht Ausfräsen eines Objekts aus einem Materialblock u v w glactivetexture R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A R G B A Rot-, Grün-, Blau- und Transparenzwert oder Grauwert (Luminanz) können gespeichert werden Bildformat nicht Bestandteil von OpenGL Für Transparenz z. B. Png- oder Gif-Format verwenden Einlesefunktion muß selbst definiert werden Breiten und Höhen mussten früher 2er-Potenzen sein: 2,4,8,16,... ( in höheren OpenGL-Versionen nicht mehr ) Texturen belegen Texturspeicher Auflösung maßgeblich! Moderne OpenGL-Versionen unterstützen Texturkompression Steuerung von der CPU aus (Auswahl): glbindtexture und glactivetexture zum Auswählen glteximage2d, glgeneratemipmap, gltexparameter zum Anlegen in der Grafikkarte glvertexattribpointer, glgetattriblocation, glenablevertexattribarray zum Übertragen der Texturkoordinaten gluniform um Texturokoordinaten und Texturen im Shader auszuwählen Im Fragmentshader uniform sampler2d tex; texture2d(tex, uv) ; um zuzugreifen 5

6 Texturabbildungen und Texturkoordinaten Kombination von Texturierung und Beleuchtung Bumpmapping erfordert Phong-Schattierung Vereinfachte Varianten in heutigen Renderengines Displacementmapping für korrekte Silhouetten Lightmapping für lokale Beleuchtungseffekte Environmentmapping für 1-stufige Reflektionen 3D-Texturen (auch in OpenGL) 6

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