Texturas - DAC

Texturas
1

Bibliografía
• Alan Watt. 3D Computer Graphics.
Addi Addison-Wesley. W l Third Thi d Editi Edition. 2000
• David SS. Ebert y otros otros. Texturing &
Modeling. A Procedural Approach. Morgan
KKaufmann. f Third Thi d Edition. Editi 2003
• …
2

• Introducción
• Hi Historia t i
• Clasificación
• Color
• Il Iluminación i ió
• Transparencia p
• Normales
• GGeometría t í
Índice
• Mapeado
• Difi Dificultades lt d
• Texturas
procedurales
• Compresión
• Efectos
• Ejemplos
3

Introducción
• Mapa de texturas: colección o array n-
di dimensional i l dde valores. l
• En OpenGL, se utilizan en la etapa de
rasterizado.
• Información sobre cualquier atributo que
se vaya a aplicar.
4

Introducción
• La utilización de texturas:
– Aumenta el realismo de la imagen sin
aumentar número de polígonos. p g
– Proporciona una clave para la percepción de
la profundidad.
profundidad
– Permite simular multitud de efectos: sombras,
reflejos, entornos, ...
• GPGPU
5

Apuntes históricos
• 1974. Ed Catmull utiliza mapas de
ttexturas t por primera i vez.
• 1976 1976. Blinn y Newell introducen los mapas
de reflexión o de entorno.
• 1978. Blinn introduce los mapas de
abolladuras (bump mapping)
• 1984. Cook los extiende creando los
mapas de desplazamiento
6

Apuntes históricos (2)
• 1985. Peachey y Perlin describen las
ttexturas t sólidas ólid como alternativa lt ti a llas
tradicionales texturas 2D.
• 1987. Reeves, Salesin y Cook: algoritmo
para generación ió dde sombras b sin i aliasing li i
utilizando texturas (shadow mapping).
…
7

Clasificación (I)
• Según el número de dimensiones
– Unidimensionales
• Poco usadas
• Bandas que varían en una sola dirección
– Bidimensionales
• Las más frecuentes
• Suelen ser cuadradas y potencias de 2
• No tienen porque ser estáticas
– Vídeos
– Funciones matemáticas
» Texturas procedurales
• PPueden d generarse di dinámicamente
á i t
9

Clasificación (II)
• Según el número de
dimensiones
- Texturas cúbicas
- Extensión de las texturas
bidimensionales
- Muy usadas en mapeos de
entornos.
– Tridimensionales
• Permiten mostrar datos
volumétricos
10

Clasificación (III)
• Tipo de información que almacenan
– CColor l
• Diffuse Maps
• Specular Maps
– Iluminación
• Light g Maps p
– Transparencia
• Alpha Blending
– Normales
• Bump Maps
• Normal Maps
• Parallax Map
– Geométrica
– …
• Heightmap
• Displacement Maps
11

Color: mapas p difusos
• Definen cómo el objeto
refleja la luz difusa.
• Son las más utilizadas.
• Contiene el color base
del mismo.
12

Color: mapas p especulares p
• DDefinen fi propiedades i d d ddel l objeto bj t sobre b cómo ó
refleja la luz especular.
• La reflexión de la luz no es igual en toda la
superficie de un objeto: suciedad, suciedad humedad, humedad
huella dactilar,...
13

Iluminación: mapas p de luz
• Etapa de sombreado:
– El nº de luces aumenta la complejidad del
sombreado.
– De las etapas más costosas.
– Las tarjetas limitan el número máximo de
luces que q se ppueden
utilizar.
14

Iluminación: mapas p de luz
• Extensión de los mapas de texturas:
– La luz se preprocesa.
– Se muestrea la luz reflejada por la superficie
del objeto.
– Se almacena en un mapa de textura 2D.
15

Iluminación: mapas p de luz
• Ventajas:
– Ahorro en tiempo y cómputo.
– Con un precálculo preciso se pueden obtener
mejores resultados que con Gouraud.
– Facilita trabajar con escenas complejas.
• Limitaciones:
– Fuentes de luz fijas.
– Peores resultados sobre objetos en
movimiento
movimiento.
• Posible compromiso.
16

Transparencia: p mapas p alpha p
• “Complementario”: mapas de opacidad.
• α=1 objeto opaco; α=0 objeto
transparente
transparente.
• La información de transparencia se
almacena en escala de grises
Utiliza el mismo mapa como textura especular
17

Normales: bump p mapping pp g
• Texturas en escala de grises.
• El mapa de bultos almacena la
profundidad del fragmento.
• Modificación de normales para dar
sensación de relieve relieve.
18

Normales: mapa p de normales
• Texturas RGB (R→X, ( , G →Y, , B →Z) )
• Se almacenan los vectores tangentes a la
superficie: fi i
– Normal hacia delante (127,127,255) (127 127 255) → (0,0,1) (001)
– Tonos azules: vectores normales.
– Tonos rojos: variación horizontal.
– Tonos verdes: variación vertical. vertical
• Son más potentes que los mapas de
bultos.
• Estos se pueden transformar en mapas de 19
• Estos se pueden transformar en mapas de
normales

Normales
20

Normales: parallax p mapping pp g
• TTambién bié offset ff t mapping i o virtual i t l
displacement p mapping pp g
• Mejora sobre los mapas de normales.
• Se usan en aplicaciones con renderizado
3D: videojuegos
videojuegos.
• Texturas con auto-oclusión en función del
punto de vista del usuario.
• LLas ttexturas t tienen ti mayor sensación ió dde
profundidad p y
realismo.
21

Normales: parallax p mapping pp g
22

Geometría
• En la textura se almacena el
ddesplazamiento l i t dde llos ffragmentos. t
• Las texturas pueden almacenar: valores
no normalizados y en coma flotante
• Mapas de altura o de desplazamiento
– Almacenan información de la altura altura.
– Escalas de grises.
– Permiten auto-oclusiones, auto-sombras y
siluetas siluetas.
23

Geometría
24

Comparación p
Ruido
(lattice noise)
Mapas de desplazamiento Mapas de normales
25

Mapeado (I)
• Texture mapping: Se debe definir una
correspondencia entre el modelo y la textura
(píxels y texels)
– Estas técnicas envuelven el objeto en algún tipo de
figura o volumen contenedor (map shape)
26

• Mapeado plano
Mapeado (III)
– Se proyecta la figura sobre un plano
– Se debe definir la orientación del
plano
– Problemas en las zonas superiores
– El más sencillo
– Utilidad reducida
– Ejemplos: j p
1. Se ha anulado la coordenada z. El
color no varía con dicha coordenada.
2. En el resto de ejemplos j p se eliminan
distintas coordenadas.
27

Mapeado (IV)
• Mapeado Cilíndrico
– El objeto se envuelve en un
cilindro
– Las coordenadas del objeto se
transforman a coordenadas
cilíndricas
• (x,y,z)->(radio, ángulo, altura)
– A la hora de proyectar la textura
sólo se tiene en cuenta el ángulo
y la altura.
– Debe tenerse en cuenta la
orientación del cilindro
28

• Mapeado esférico
Mapeado (V)
– El objeto se envuelve en
una esfera
– (x (x,y,z) y z)->(r >(r,alpha,theta)
alpha theta)
– Para el mapeo sólo se usa
alpha y theta
– Depende de la forma en la
que q la textura se envuelva
alrededor de la esfera.
29

Mapeado (VI)
• Comparación entre el mapeado
esférico fé i y el l cilíndrico. ilí d i
– El mapeado esférico tiene más
resolución de la necesaria en los
polos
– El mapeado cilíndrico está muy
limitado a la hora de representar la
parte p superior p de los objetos j
30

• Mapeado cúbico
Mapeado (VII)
– Se envuelve el objeto
en un cubo
– Similar al mapeado
plano
– Muy utilizado para
simular entornos
31

Mapeado (VIII)
• En las trasparencias anteriores sólo se
tenía en cuenta la figura contenedora.
• A la ahora de proyectar o mapear la
textura hay que establecer un método que
nos permita extraer las coordenadas del
objeto para luego proyectarlas sobre la
figura contenedora (definir el map entity):
– Posición respecto a la BB
– Normal de la superficie
– Centroide del objeto
– Refle Reflexión ión del punto p nto de vista ista del observador
obser ador
sobre el objeto
32

Mapeado (IX)
• Dependiendo de la figura envolvente unos
métodos ét d ffuncionarán i á mejor j que otros t
Mapeado
Cilíndrico
MMapeado d
Esférico
33

• Mapeado u,v.
Mapeado (X)
– A cada vértice se le asigna una
coordenada de textura
– El mapeado se genera de forma
explícita (más difícil de modelar)
– Mucho más potente
– Se suelen utilizar coordenadas
normalizadas li d en ttexturas t cuadradas. d d
– En texturas no cuadradas se utiliza la
posición p del texel.
– Mapeado no lineal
34

• Proyectar la textura
– Se proyecta la textura
como si se tratase de
un foco
– Shadow mapping
– Utilizado por Pixar (se
utilizó en Toy Story)
Mapeado (XI)
35

Mapeado (XI)
• Mapeado en texturas 3D
– No se necesita figura envolvente
– La obtención del valor es directa
– Coste computacional potencialmente
elevado.
36

Dificultades
• Diferencias entre las coordenadas del modelo y
llas coordenadas d d dde lla escena virtual i t l
– Se produce cuando se generan las coordenadas de
textura de forma automática.
– Diferencia entre coordenadas de la textura y
coordenadas del mundo
• Posible efecto no deseado
37

• Aliasing
Dificultades: aliasing
– Las fronteras de las primitivas aparecen
escalonadas
– Repetir el rasterizado desplazando la rejilla
(2 (x2, x4…). 4 )
– Fusionar los distintos resultados
38

Dificultades: aliasing
39

Dificultades: aliasing
• Aliasing g en texturas
– Al proyectar una textura, ¿qué
texel escoger?
– UUndersampling: d li MMuestreo t
demasiado bajo
– Puede que el texel no sea
representativo
•Fronteras o te as esca escalonadas o adas
• Información incorrecta
– Se mapean p los 4 vértices del
píxel sobre la textura.
40

Dificultades: aliasing
Supersampling
Supe sa p g
- Se toman las 4 esquinas del píxel y se
proyectan. t
- Se po ponderan de a los os 4 valores a o es obte obtenidos dos
41

Dificultades: aliasing
Prefiltering
- Se trata el píxel como una región en
la textura
- Se pondera p esa región g
-Costoso
42

Dificultades: aliasing
• Aliasing g en texturas
– Texturas multimapa (mipmap)
p)
• Ajusta la textura según la
resolución
• Calculadas en preproceso
(más rápidas)
• Para su generado automático
tiene que ser potencia de 2
• En la fase de mapeo de
texturas se escoge el nivel de
detalle que mejor ajuste la
región
43

Dificultades: aliasing
• Aliasing en texturas
– Filtrados
• Bilineal
– Interpolación con 4 téxeles
– Se combina con mid mid-maps maps
– Problema en la transición de niveles
– Blur
• Trilineal
– Interpolado del filtrado bilineal entre los niveles midmaps
más cercanos
– Blur
44

Dificultades: aliasing
• Aliasing en texturas
• Filtrado anisotrópico (AF)
– No utiliza mipmaps
– Calcula la textura inline
– Útil cuando se necesita más resolución en alguna
di dirección ió
– A la hora de generar la textura tiene en cuenta la
orientación de la primitiva
– Costoso computacionalmente, requiere mucha memoria
– Se ha empezado a utilizar recientemente
– No introduce emborronamiento, conserva el detalle
– Sistema basado en máscaras elípticas p
45

Dificultades
Sin filtrado Filtrado bilineal Filtrado bilineal Filtrado anisotrópico
Figure 1. Comparison of isotropic and anisotropic texture filtering.
46

Bilineal
47

Trilineal
48

Anisotrópico
49

Limitaciones texturas tradicionales
• Tienen una resolución limitada.
– Cantidad de memoria que ocupan.
– Mayor detalle significa más submuestreos y
filtrados.
• MMultiresolución lti l ió artesanal t l
– Implica retocar a mano.
• La repetición de texturas (tilling)
– Complica su dibujo si se quiere un diseño
atractivo.
50

Texturas procedurales
p
• Son algoritmos matemáticos (programas)
a partir de los que se construye la imagen
de la textura.
– Si están en la GPU se llaman shaders shaders.
• Surgieron como forma sencilla de
sintetizar texturas.
/* Copyrighted Pixar 1988 */
/*
* blue_marble(): a marble stone texture in shades of blue
* surface
*/
blue_marble(
float Ks = .4,
Kd = .6,
Ka = .1,
roughness = .1,
txtscale = 1;
color specularcolor = 1)
{
point PP; /* scaled point in shader space */
float csp; /* color spline parameter */
point Nf; /* forward-facing normal */
point V; /* for specular() */
float píxelsize, twice, scale, weight, turbulence;
Nf = faceforward( normalize(N), I);
V = normalize(-I);
PP = transform("shader", P) * txtscale;
píxelsize = sqrt(area(PP));
twice = 2 * píxelsize;
turbulence = 0;
for (scale = 1; scale > twice; scale /= / 2)
turbulence += scale * noise(PP/scale);
if (scale > píxelsize) {
weight = (scale / píxelsize) - 1;
weight = clamp(weight, 0, 1);
turbulence += weight * scale * noise(PP/scale);
}
csp = clamp(4 * turbulence - 3, 0, 1);
Ci = color spline(csp,
color (0.25, 0.25, 0.35), /* pale blue */
color (0.25, 0.25, 0.35), /* pale blue */
color (0.20, 0.20, 0.30), /* medium blue */
color (0 (0.20, 20 00.20, 20 00.30), 30) /* medium blue */
color (0.20, 0.20, 0.30), /* medium blue */
color (0.25, 0.25, 0.35), /* pale blue */
color (0.25, 0.25, 0.35), /* pale blue */
color (0.15, 0.15, 0.26), /* medium dark blue */
color (0.15, 0.15, 0.26), /* medium dark blue */
color (0.10, 0.10, 0.20), /* dark blue */
color (0.10, 0.10, 0.20), /* dark blue */
color (0.25, 0.25, 0.35), /* pale blue */
color (0.10, 0.10, 0.20) /* dark blue */
);
Ci *= Ka*ambient() + Kd*diffuse(Nf );
Oi = Os;
Ci = Ci * Oi;
Ci += specularcolor * Ks * specular(Nf,V,roughness);
}
51

Procedurales: ejemplos
52

• Densidad
Procedurales: ventajas j
– Mapa de bits: discreto.
– Textura procedural: para todo Rn Textura procedural: para todo R
• No tienen por qué ser repetitivas.
• No hay “tiling”.
• MMultirresolución lti l ió
Textura
procedural
Textura
bitmap
Zoom x1 Zoom x2 Zoom x4
53

Procedurales: desventajas
• No se dibujan.
– Las herramientas habituales no sirven.
• Pueden ser sorprendentes: a veces es
muy difícil predecir el resultado.
• Computacionalmente voraces
– Ejecución en GPU GPU.
• ¿Geometrías ¿ complejas? p j
54

Procedurales: varios
• Descomposición en varios mapas o
ttexturas t proc. más á simples: i l áárboles b l
• Implícitas: el valor de un píxel se obtiene
en cualquier instante.
• Explícitas: requieren un preprocesado (en
un determinado orden). orden) El valor de un
píxel depende de los de alrededor.
• Se programan en OpenGL, CG, C, Perl,
MATLAB MATLAB, …
55

Compresión de texturas
• Cuanto más detalle tienen las texturas,
lógicamente ocupan más espacio en
memoria y son costosas de tratar.
Normalmente, las texturas se van alojando
en la memoria de la tarjeta gráfica con un
algoritmo LRU: least recently used
• Algoritmo de S3: S3TC. Usado en DirectX.
• Al Algoritmo it dde 3df 3dfx: FXT1
56

Efectos (I)
• Con las texturas podemos simular efectos
complejos l j
– exclusivos de los modelos de sombreado
globales
– simplificar otros efectos
57

Efectos (II) ( )
• Multitexturing
– Se pueden aplicar varias
texturas a un modelo
• Una con información de
color y otra con un texture
bbumping i
• Fusionar dos texturas con
información de color color…
– Renderizar sobre una
textura
• Es la base de multitud de
técnicas
– Environmental Mapping
58

Efectos (III)
• Generación de sombras en tiempo
real
– Existen multitud de técnicas
– PProyectar t una textura t t es una de d las l
más sencillas
• Dividir los objetos en sombreadores
( (generadores d dde sombra) b ) y objetos bj t
sombreados (objetos sobre los que se
proyecta la sombra)
• Crear un buffer de color en blanco y
negro
• Deshabilitar texturas, luces …
• Renderizar los objetos sombreadores
desde el foco lumínico.
• Almacenar el buffer de color en una
textura
• Renderizar la escena proyectando la
textura sobre los objetos sombreados,
utilizando una matriz de proyección
que se usó para generar la textura.
59

• Reflejos
– Plano de simetría
Efectos (IV)
Objeto de la escena
• Se renderiza la escena
en la posición simétrica
al observador
• Se utiliza como plano de
simetría el mismo que
contiene al usuario
• Se almacena el buffer de
color en una textura
Plano de simetría
• Se renderiza la escena
utilizando la textura
generada en el paso
anterior en el espejo
• Sólo es valido para
objetos planos
Centro de proyección
Espejo
COP simétrico
60

• Reflejos
– Mapeo de entornos
Efectos (V) ( )
• Más flexible que la técnica anterior y más usada
• Se utiliza la posición de la cámara y la normal del
objeto para generar la coordenada de textura
• Mapeado circular
– 1 textura
– Difícil generar la textura en tiempo real
– Textura preprocesada
• Mapeado parabólico dual
– Es el mismo principio que subyace en las lentes
parabólicas
– Función de mapeado
– 2 parábolas, p , 2 imágenes g
– Las imágenes pueden generarse en tiempo real
• Mapeado cúbico
– 6 texturas
– El más utilizado
– Fácil generar la textura en tiempo real (ajustar
frustrums)
61

• Reflejos
– Mapeo de entornos
•Ejemplos: j p
Efectos (III)
– Comparación con Ray-Tracing
62

Efectos (IV)
• Image Based Rendering
– Utilizamos un conjunto
de mapas p de bits ppara
representar un objeto
– Dependiendo del punto
de vista mostramos un
bit bitmap u otro. t
63

Ejemplo j p ( (I) )
– Mapa p difuso del ojo j
(mapeado plano)
– Mapa de brillos del ojo
– Textura facial
(mapeado cilíndrico)
– Mapa de brillos de la
cara
– BumpMap
64