מיפוי מרקם

מיפוי מרקם היא טכניקת מיפוי טקסטורה בגרפיקה ממוחשבת להדמיית מרקם וקמטים על פני השטח של אובייקט. זה מושג על ידי הפרעה של נורמלי פני השטח של האובייקט ושימוש בנורמלי המופרע במהלך חישובי תאורה. התוצאה היא משטח גבשושי לכאורה ולא משטח חלק, אם כי פני השטח של האובייקט הבסיסי אינם משתנה. מיפוי מרקם הוצג על ידי ג'יימס בלין בשנת 1978.

כדור ללא מיפוי מרקם (משמאל). מפת מרקם ליישום על הכדור (באמצע). נראה שלכדור עם מפת המרקם (מימין) יש משטח מנומר הדומה לכתום. מפות מרקם משיגות את האפקט הזה על ידי שינוי האופן שבו משטח מואר מגיב לאור, מבלי לשנות את הגודל או הצורה של המשטח.

מיפוי רגיל הוא הווריאציה הנפוצה ביותר של מיפוי מרקם בשימוש. מיפוי מרקם מאפשר להעניק למשטח המיוצג תחושה מציאותית יותר על ידי סימולציה של תזוזות קטנות על פני השטח. בניגוד למיפוי עקירה (Displacement Mapping), הגאומטריה של המשטח אינה משתנה; רק הנורמל של פני השטח משתנה כאילו המשטח הוזז. הנורמל המשובש משמש לאחר מכן לחישובי תאורה (כגון מודל ההחזרה של פונג), מה שמעניק את המראה של פרטים במקום משטח חלק. מיפוי מרקם מהיר יותר וצורך פחות משאבים בהשוואה למיפוי עקירה, מכיוון שהגאומטריה נשארת ללא שינוי.

קיימות גם הרחבות המשנות תכונות משטח נוספות בנוסף להגברת תחושת העומק. מיפוי פרלקסה (Parallax Mapping) ומיפוי אופק (Horizon Mapping) הן שתי דוגמאות להרחבות כאלה.

המגבלה העיקרית של מיפוי מרקם היא שהוא משנה רק את הנורמלים של פני השטח מבלי לשנות את המשטח עצמו. כתוצאה מכך, קווי המתאר והצללים נשארים ללא שינוי, מה שבולט במיוחד עבור תזוזות מדומות גדולות יותר. מגבלה זו ניתנת להתגברות באמצעות טכניקות כמו מיפוי עקירה, שבו המרקם מוחלות על המשטח, או שימוש באיזוספירה.

עקרונות

מיפוי מרקם מוגבל בכך שהוא אינו משנה את הצורה של האובייקט הבסיסי. בצד שמאל, פונקציה מתמטית המגדירה מפת מרקם מדמה משטח מתפורר על כדור, אך קווי המתאר והצל של האובייקט נשארים אלה של כדור מושלם. בצד ימין, אותה פונקציה משמשת לשינוי פני השטח של כדור על ידי יצירת איזו-surface . זה מדגמן כדור עם משטח גבשושי וכתוצאה מכך הן קווי המתאר והצל שלו מוצגים בצורה מציאותית.

מיפוי מרקם מאפשר להעניק למשטח המיוצג תחושה מציאותית יותר על ידי סימולציה של תזוזות קטנות על פני השטח. בניגוד למיפוי עקירה (Displacement Mapping), הגאומטריה של המשטח אינה משתנה; רק הנורמל של פני השטח משתנה כאילו המשטח הוזז. הנורמל המשובש משמש לאחר מכן לחישובי תאורה (כגון מודל ההחזרה של פונג), מה שמעניק את המראה של פרטים במקום משטח חלק.

מיפוי מרקם מהיר יותר וצורך פחות משאבים בהשוואה למיפוי עקירה, מכיוון שהגאומטריה נשארת ללא שינוי.

קיימות גם הרחבות המשנות תכונות משטח נוספות בנוסף להגברת תחושת העומק. מיפוי פרלקסה (Parallax Mapping) ומיפוי אופק (Horizon Mapping) הן שתי דוגמאות להרחבות כאלה.

המגבלה העיקרית של מיפוי מרקם היא שהוא משנה רק את הנורמלים של פני השטח מבלי לשנות את המשטח עצמו. כתוצאה מכך, קווי המתאר והצללים נשארים ללא שינוי, מה שבולט במיוחד עבור תזוזות מדומות גדולות יותר. מגבלה זו ניתנת להתגברות באמצעות טכניקות כמו מיפוי עקירה, שבו המרקם מוחלות על המשטח, או שימוש באיזוספירה.

שיטות

ישנן שתי שיטות עיקריות לביצוע מיפוי מרקם. הראשונה משתמשת במפת גבהים (Height Map) לסימולציה של תזוזת המשטח, מה שמוביל לנורמל המשובש. זוהי השיטה שהומצאה על ידי בלין והיא בדרך כלל מה שמתכוונים אליו כאשר מדברים על מיפוי מרקם.

לפני ביצוע החישוב יש לבצע עבור כל נקודה גלויה (או פיקסל) על פני השטח של האובייקט את השלבים הבאים:

1. חפש את הגובה במפת הגבהים המתאים למיקום על פני השטח.
2. חשב את הנורמל של מפת הגבהים, בדרך כלל באמצעות שיטת ההבדל הסופי.
3. שלב את הנורמל מהשלב השני עם הנורמל ה"אמיתי" (הגאומטרי) של פני השטח כך שהנורמל המשולב יפנה לכיוון חדש.
4. חשב את האינטראקציה של פני השטח ה"מחוספסים" החדשים עם האורות בסצנה באמצעות, לדוגמה, מודל ההחזרה של פונג.

התוצאה היא משטח שנראה כאילו יש לו עומק אמיתי. האלגוריתם גם מבטיח שהמראה של המשטח ישתנה כאשר האורות בסצנה זזים.

השיטה השנייה היא לציין מפה נורמלית (Normal Map) המכילה את הנורמל המשובש עבור כל נקודה על פני השטח ישירות. מכיוון שהנורמל מצוין ישירות במקום להיגזר ממפת גבהים, שיטה זו בדרך כלל מובילה לתוצאות צפויות יותר. זה מקל על האמנים לעבוד איתה, מה שהופך אותה לשיטת מיפוי המרקם הנפוצה ביותר כיום.

טכניקות מיפוי מרקם בזמן אמת

דוגמה למיפוי מרקם מזויף בזמן אמת.



משמאל: # מפת סיביות פני השטח, מטושטשת בכוונה, # מקור מפת סיביות אור, # אפקט מיפוי מרקם עם מסלול מקור אור $1=x^{2}+y^{2}/x^{2}$ מַסלוּל.

מתכנתי גרפיקה תלת מימד בזמן אמת משתמשים לרוב בגרסאות של הטכניקה על מנת לדמות מיפוי מרקם בעלות חישובית נמוכה יותר.

אחת הדרכים האופייניות הייתה להשתמש בגאומטריה קבועה, המאפשרת להשתמש במשטח מפת הגובה הרגיל כמעט ישירות. בשילוב עם טבלת חיפוש מחושבת מראש לחישובי התאורה, ניתן היה ליישם את השיטה עם לולאה פשוטה ומהירה מאוד, המאפשרת אפקט מסך מלא. שיטה זו הייתה אפקט חזותי נפוץ כאשר מיפוי מרקם הוצג לראשונה.

ראו גם

• שדה מרחק
• משטח אופסט
• Greeble
• מיפוי רגיל

מקורות

1. ^ "Bump and Environment Mapping" (PDF). ics.uci.edu.
2. Blinn, James F. "Simulation of Wrinkled Surfaces", Computer Graphics, Vol. 12 (3), pp. 286-292 SIGGRAPH-ACM (August 1978)
3. Mikkelsen, Morten (2008). "Simulation of Wrinkled Surfaces Revisited" (PDF). p. 7 (Section 2.2). ארכיון (PDF) מ-2019-05-26. נבדק ב-2011-08-05.
4. Lengyel, Eric (ביולי 2019). [http://foundationsofgameenginedev.com/ Foundations of Game Engine Development, Volume 2: Rendering. Terathon Software LLC. ISBN 978-0-9858117-5-4. {{cite book}}: (עזרה)]
5. Real-Time Bump Map Synthesis, Jan Kautz¹, Wolfgang Heidrichy² and Hans-Peter Seidel¹, (¹Max-Planck-Institut für Informatik, ²University of British Columbia)

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מיפוי מרקם בוויקישיתוף

• הצללת מרקם למרקמי נפח, Max, NL, Becker, BG, Computer Graphics and Applications, IEEE, יולי 1994, כרך 14, גיליון 4, עמודים 18 – 20, ISSN 0272-1716
• יצירה פשוטה של וקטורים לכל פיקסל של גווני אפור כדי שמפת מרקם תעבוד ועוד
• דוגמה למיפוי Bump ( יישומון Java )