Reflexní mapování - Reflection mapping

Příklad reflexního mapování

V počítačové grafice je mapování prostředí nebo reflexní mapování efektivní technikou osvětlení založenou na obrazu pro aproximaci vzhledu reflexního povrchu pomocí předem vypočítané textury . Textura slouží k uložení obrazu vzdáleného prostředí obklopujícího vykreslený objekt.

Bylo použito několik způsobů skladování okolního prostředí. První technikou bylo sférické mapování , ve kterém jedna textura obsahuje obraz okolí odrážející se na sférickém zrcadle . To bylo téměř úplně překonáno mapováním kostek , ve kterém je prostředí promítáno na šest ploch krychle a uloženo jako šest čtvercových textur nebo rozloženo do šesti čtvercových oblastí jedné textury. Mezi další projekce, které mají některé vynikající matematické nebo výpočetní vlastnosti, patří paraboloidní mapování, pyramidové mapování, oktaedronové mapování a mapování HEALPix .

Reflexní mapování je jedním z několika přístupů k vykreslování odrazu , vedle např. Odrazů prostoru obrazovky nebo sledování paprsku, které vypočítávají přesný odraz sledováním paprsku světla a sledováním jeho optické dráhy . Barva odrazu použitá při výpočtu stínování na pixelu je určena výpočtem vektoru odrazu v bodě na objektu a jeho mapováním na texel v mapě prostředí. Tato technika často přináší výsledky, které jsou povrchově podobné těm, které jsou generovány sledováním paprsků, ale jsou méně výpočetně nákladné, protože hodnota zářivosti odrazu pochází z výpočtu úhlů dopadu a odrazu, následovaného vyhledáním textury, a nikoli následováním sledování paprsku. proti geometrii scény a výpočtu záře paprsku, což zjednodušuje pracovní zátěž GPU .

Ve většině případů je však mapovaný odraz pouze aproximací skutečného odrazu. Mapování prostředí závisí na dvou předpokladech, které jsou zřídka splněny:

  1. Veškeré záření dopadající na stínovaný objekt pochází z nekonečné vzdálenosti. Pokud tomu tak není, odraz blízké geometrie se objeví na špatném místě na odraženém objektu. V takovém případě není v odrazu vidět žádná paralaxa .
  2. Stínovaný objekt je konvexní , takže neobsahuje žádné sebereflexe. Pokud tomu tak není, předmět se neobjeví v odrazu; dělá to jen prostředí.

Mapování prostředí je obecně nejrychlejší způsob vykreslení odrazného povrchu. Pro další zvýšení rychlosti vykreslování může renderer vypočítat polohu odraženého paprsku v každém vrcholu. Poté je pozice interpolována přes mnohoúhelníky, ke kterým je vrchol připojen. To eliminuje potřebu přepočítat směr odrazu každého pixelu.

Pokud je použito normální mapování , každý polygon má mnoho normálových ploch (směr, kterým je daný bod na polygonu obrácen), které lze použít v tandemu s mapou prostředí k vytvoření realističtějšího odrazu. V tomto případě bude úhel odrazu v daném bodě polygonu brát v úvahu normální mapu. Tato technika se používá k tomu, aby jinak plochý povrch vypadal strukturovaný, například vlnitý kov nebo kartáčovaný hliník.

Typy

Mapování koule

Mapování sféry představuje sféru dopadajícího osvětlení, jako by byla viděna v odrazu reflexní koule ortografickou kamerou. Obraz textury lze vytvořit přiblížením k tomuto ideálnímu nastavení nebo pomocí objektivu typu rybí oko nebo předběžným vykreslením scény pomocí sférického mapování.

Sférické mapování trpí omezeními, která snižují realističnost výsledných renderů. Protože jsou sférické mapy uloženy jako azimutální projekce prostředí, která představují, je v odrazu na objektu viditelný náhlý bod singularity ( efekt „ černé díry “), kde jsou barvy texelu na okraji mapy nebo v jeho blízkosti zkresleny neadekvátní rozlišení pro přesnou reprezentaci bodů. Sférické mapování také plýtvá pixely, které jsou ve čtverci, ale ne v kouli.

Artefakty sférického mapování jsou tak závažné, že jsou účinné pouze pro hlediska blízká hlediskům virtuální ortografické kamery.

Mapování kostek

Diagram znázorňující zjevný odraz poskytovaný odrazem mapovaným na krychli. Mapa se ve skutečnosti promítá na povrch z pohledu pozorovatele. Zvýraznění, která by při sledování paprsků byla zajištěna sledováním paprsku a určením úhlu svinutého s normálem, lze „fudged“, pokud jsou ručně namalovány do pole textury (nebo pokud se tam již objevují v závislosti na tom, jak byla mapa textury získána ), odkud budou promítnuty na mapovaný objekt spolu se zbytkem detailu textury.
Příklad trojrozměrného modelu využívajícího odraz mapovaný na krychli

Mapování kostek a další mnohostěnová mapování řeší závažné zkreslení map koulí. Pokud jsou mapy krychlí vytvořeny a filtrovány správně, nemají žádné viditelné švy a lze je použít nezávisle na úhlu pohledu často virtuální kamery, která mapu získává. Kostkové a jiné mnohostěnové mapy od té doby nahradily mapy koulí ve většině aplikací počítačové grafiky, s výjimkou získávání osvětlení založeného na obrazu . Osvětlení na základě obrazu lze provést pomocí map kostek s korekcí na paralaxu.

Mapování krychlí obecně používá stejný skybox, který se používá ve venkovních vykreslováních. Odraz mapovaný na krychli se provádí určením vektoru , ve kterém je objekt prohlížen. Tento paprsek kamery se odráží kolem povrchu kolmého na místo, kde vektor kamery protíná objekt. Výsledkem je odražený paprsek, který je pak předán do mapy krychlí, aby získal texel, který poskytuje hodnotu záření použitou při výpočtu osvětlení. To vytváří efekt, že objekt je reflexní.

Mapování HEALPix

Mapování prostředí HEALPix je podobné jako u ostatních mnohostěnných mapování, ale může být hierarchické, což poskytuje jednotný rámec pro generování mnohostěnů, které lépe přibližují sféru. To umožňuje nižší zkreslení za cenu zvýšeného výpočtu.

Dějiny

Prekurzorovou práci v mapování textur vytvořil Edwin Catmull , s vylepšeními pro zakřivené povrchy od Jamese Blinna v roce 1974. Blinn pokračoval v dalším zdokonalování své práce, vývoj mapování prostředí do roku 1976.

Gene Miller experimentoval s mapováním sférického prostředí v roce 1982 na MAGI Synthavision .

Wolfgang Heidrich představil paraboloidní mapování v roce 1998.

Emil Praun představil Octahedron Mapping v roce 2003.

Mauro Steigleder představil Pyramid Mapping v roce 2005.

Tien-Tsin Wong a kol. představil stávající mapování HEALPix pro vykreslování v roce 2006.

Viz také

Reference

externí odkazy