Отображение рельефа - Bump mapping

Сфера без рельефного отображения (слева). Карта рельефа, применяемая к сфере (в центре). Сфера с примененной картой рельефа (справа) имеет пятнистую поверхность, напоминающую оранжевый. Карты рельефа достигают этого эффекта, изменяя то, как освещенная поверхность реагирует на свет, без изменения размера или формы поверхности.

Отображение рельефа^[1] это наложение текстуры техника в компьютерная графика для имитации неровностей и морщин на поверхности объекта. Это достигается за счет возмущения нормали к поверхности объекта и используя возмущенную нормаль при расчетах освещения. В результате получается явно неровная поверхность, а не гладкая, хотя поверхность нижележащего объекта не изменяется. Bump mapping был представлен Джеймс Блинн в 1978 г.^[2]

Нормальное отображение - это наиболее распространенный вариант используемого рельефного отображения.^[3]

Основы отображения рельефа

Отображение рельефа ограничено тем, что не меняет форму нижележащего объекта. Слева математическая функция, определяющая карту рельефа, имитирует осыпающуюся поверхность на сфере, но контур и тень объекта остаются такими же, как у идеальной сферы. Справа та же функция используется для изменения поверхности сферы путем создания изоповерхность. Это моделирует сферу с неровной поверхностью, в результате чего и ее контур, и ее тень отображаются реалистично.

Картирование рельефа - это метод в компьютерная графика сделать оказано поверхность выглядит более реалистично за счет имитации небольших перемещений поверхности. Однако в отличие от отображение смещения, геометрия поверхности не изменяется. Вместо этого изменяется только нормаль к поверхности как будто поверхность была смещена. Затем измененная нормаль к поверхности используется для расчетов освещения (например, с помощью Модель отражения Фонга ), создавая видимость деталей вместо гладкой поверхности.

Отображение рельефа выполняется намного быстрее и требует меньше ресурсов для того же уровня детализации по сравнению с отображением смещения, поскольку геометрия остается неизменной.

Существуют также расширения, которые изменяют другие особенности поверхности в дополнение к увеличению ощущения глубины.^{[требуется разъяснение ]} Отображение параллакса является одним из таких расширений.

Основным ограничением отображения рельефа является то, что оно нарушает только нормали поверхности, не изменяя при этом саму подстилающую поверхность.^[4] Таким образом, силуэты и тени остаются неизменными, что особенно заметно для больших смоделированных смещений. Это ограничение можно преодолеть с помощью методов, в том числе отображение смещения где неровности нанесены на поверхность или с помощью изоповерхность.

Методы

Есть два основных метода выполнения карт рельефа. Первый использует карта высот для моделирования смещения поверхности с получением модифицированной нормали. Это метод, изобретенный Блинном.^[2] и обычно называется рельефным отображением, если не указано иное. Шаги этого метода резюмируются следующим образом.

Перед выполнением расчета освещения для каждой видимой точки (или пиксель ) на поверхности объекта:

1. Посмотрите на высоту в карта высот что соответствует положению на поверхности.
2. Вычислить нормаль к поверхности карты высот, обычно используя конечная разница метод.
3. Объедините нормаль к поверхности из шага 2 с истинной ("геометрической") нормалью к поверхности, чтобы объединенная нормаль указывала в новом направлении.
4. Рассчитайте взаимодействие новой «неровной» поверхности с источниками света в сцене, например, с помощью Модель отражения Фонга.

В результате поверхность имеет реальную глубину. Алгоритм также обеспечивает изменение внешнего вида поверхности при перемещении источников света в сцене.

Другой способ - указать карта нормалей который содержит измененную нормаль непосредственно для каждой точки на поверхности. Поскольку нормаль задается напрямую, а не выводится из карты высот, этот метод обычно приводит к более предсказуемым результатам. Это упрощает работу художников, что делает его наиболее распространенным методом отображения рельефа на сегодняшний день.^[3]

Методы отображения рельефа в реальном времени

Пример поддельного отображения рельефа в реальном времени.
Слева:

1. растровое изображение поверхности, намеренно размытое,
2. источник растрового изображения,
3. эффект отображения рельефа с вращающимся источником света ${\displaystyle 1=x^{2}+y^{2}/x^{2}}$ траектория.

3D-графика в реальном времени программисты часто используют вариации этого метода для имитации отображения рельефа с меньшими вычислительными затратами.

Один из типичных способов - использовать фиксированную геометрию, которая позволяет практически напрямую использовать нормаль поверхности карты высот. В сочетании с предварительно вычисленным Справочная таблица для расчета освещения этот метод может быть реализован с помощью очень простого и быстрого цикла, позволяющего получить полноэкранный эффект. Этот метод был обычным Визуальный эффект когда впервые было введено отображение рельефа.

Смотрите также

• Поле расстояния
• Смещение поверхности
• Приветливый

использованная литература

1. «Карта рельефа и окружающей среды» (PDF). ics.uci.edu.
2. Блинн, Джеймс Ф. «Моделирование морщинистых поверхностей», Компьютерная графика, Vol. 12 (3), стр. 286-292. СИГГРАФ -ACM (август 1978 г.)
3. Миккельсен, Мортен (2008). «Возвращение к моделированию морщинистых поверхностей» (PDF). п. 7 (раздел 2.2). В архиве (PDF) из оригинала на 26.05.2019. Получено 2011-08-05.
4. Синтез карты рельефа в реальном времени, Ян Каутц¹, Вольфганг Гейдрихи² и Ханс-Петер Зайдель¹, (¹Max-Planck-Institut für Informatik, ²Университет Британской Колумбии)

внешняя ссылка

• Затенение выпуклости для объемных текстур, Макс, Н.Л., Беккер, Б.Г., Компьютерная графика и приложения, IEEE, июль 1994 г., том 14, выпуск 4, страницы 18-20, ISSN 0272-1716
• Простое создание векторов на пиксель шкалы серого для работы карты рельефа и т. Д.
• Пример рельефного отображения (Java-апплет )