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Alle Kapitel anzeigenVorbemerkung / Mapping-Techniken
Um Objekte glaubhaft darstellen zu können, werden in der Computergrafik verschiedene Materialen wie Lambert, Blinn und Phong verwendet. Durch eine Textur-Map oder durch eine prozedurale-Map lassen sich verschiedene Oberflächeneigenschaften kontrollieren, die zu verschiedenen Effekten im finalen Bild führen. Jedes Objekt besitzt zusätzliche Koordinaten - sogenannte Texturkoordinaten, die die Abwicklung bzw. Projektion einer Textur definieren. Die wichtigsten Mapping-Techniken in der 3d-Grafik sind:
- Farb-Mapping (Textur-Mapping, Color-Mapping)
- Glanz-Mapping (Specular-Mapping)
- Leuchtstärke-Mapping (Luminosity, Incandescene-Mapping, Umgebungs-Mapping)
- Transparenz-Mapping
- Bump-Mapping (Relief-Mapping)
- Displacement-Mapping
- Transluzenz-Mapping
- Dirt-Mapping (Diffuse-Mapping)
- Reflexions-Mapping (Reflection-Mapping)
- Shader-Kombinationen
Je nach Software werden unterschiedlich viele Techniken angeboten. Durch die Kombination der Techniken bzw. durch zusätzliche Shader und Plugins ist die Anzahl an kreativen Lösungen unendlich groß. Unabhängig von dem gewünschten Endergebnis bzw. Aussehen des Materials gibt es folgende Möglichkeiten Maps zu erstellen:
- analoge Bildquelle wird digitalisiert
- Map wird in einem 2d-Programm erstellt
- Map wird in einem 3d-Programm berechnet (render to texture, bake light)
- Map wird direkt auf das Objekt gemalt (3d-texturing in der 3d-Software bzw. in einer Stand-alone-software wie Bodypaint oder DeepPaint3d)
- Map wird prozedural erstellt
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| Objekteigenschaften können in eigenen Editoren (3dsmax: Materialeditor, Maya: Hypershade) erstellt werden. In sehr vielen Fällen werden mehrere Mappingtechniken eingesetzt. Das in der Software Maya erstellte Shading-Network zeigt die Verwendung einer Textur-Map und einer prozeduralen Map als Dirt-Map. |
Das ursprünglichste aller Mapping-Verfahren ist das Farb-Mapping (auch Color-Mapping oder Texture-Mapping genannt). Ausgangspunkt des Texture-Mappings ist meist die Abbildung eines zweidimensionalen Bildes auf der Oberfläche eines Objekts, um dort die Farbe zu bestimmen. Durch die Farb-Map wird der Betrag des reflektierten diffusen Lichtes der Oberfläche festgelegt. Die Beleuchtung und Schattierung der Objektoberfläche bleibt unverändert.
Textur-Map versus Prozedural-Map
Prozedurale Texturen sind nicht wie standard Bitmap-Texturen pixelorientiert, sondern aus mathematischen Funktionen und Formeln errechnet und dadurch auflösungsunabhängig.
Durch Glanzlicht-Mapping (oder Specular-Mapping) wird die Helligkeit und die Farbe der Glanzlichter variiert. Jedes Material bietet dafür unterschiedliche Eigenschaften wie Helligkeit, Größe, Form oder Farbe, die mit Maps kontroliert werden können. Bei einigen Eigenschaften wie Helligkeit bzw. Intensität wird wie bei anderen Mappingverfahren auch, ein im Normalfall auf Graustufen reduziertes Bitmap als Referenz verwendet. Handelt es sich dabei um die Glanzlichtfarbe können auch Farbinformationen gemappt werden. Wird die Glanzlichthelligkeit durch ein Graustufenbild gemappt, werden die 100% weißen Stellen der Specular-Map als 100% glänzend und die 100% schwarzen Stellen als 100% matt interpretiert. Die Grauwerte dazwischen werden als Zwischenwerte berücksichtigt.
Beim Leuchtstärke-Mapping (auch Intensitäts-Mapping, konstantes Mapping oder Umgebungs-Mapping) wird eine Textur verwendet, die die selbstleuchtenden Eigenschaften eines Objektes steuert. Der Wert für Leuchtstärke ist in der Standardeinstellung 0 bzw. schwarz und hat folglich keine Auswirkung. Wird dieser Wert in Richtung 1 bzw. weiß verändert, wird das Material unabhängig von der Beleuchtung heller bzw. kontraststärker dargestellt. So können nicht beleuchtete bzw. unzureichend ausgeleuchtete Objekte oder simulierte Lichtquellen wie Neonröhren und Glühbirnen ohne zusätzliche Lichtquellen heller dargestellt werden. Wird ein globales Beleuchtungsmodell wie Mental Ray in Kombination mit Final Gather verwendet, werden Objekte mit Leuchtstärkeinformationen zu Lichtquellen. Die gängigen 3d-Softwareprogramme bieten sehr unterschiedliche Möglichkeiten für Leuchtstärke-Mapping.
Dem Transparenz-Mapping oder auch Alpha-Mapping liegt, wie den vorher beschriebenen Verfahren, eine so genannte Transparency- oder Alpha-Map zugrunde. Dieses im Normalfall auf Graustufen reduzierte Bitmap lässt durch die Grauwerte, welche zwischen 0 und 1 angesiedelt sind, die Oberfläche des gemappten Objekts bei dem Wert 0 (schwarz) zu 100% transparent und bei dem Wert 1 (weiss) zu 100% opak erscheinen.
(In einigen 3d-Programmen ist weiss opak, in anderen transparent)
Bump-Mapping ist eine Technik, die Objekten mehr Details verschafft ohne dafür mehr Polygone zu verwenden. Erfunden wurde diese Technik von Jim Blinn 1978. Das Wort "Bump" bedeutet sinngemäß übersetzt soviel wie "Relief-Struktur". Eine Bump-Map ist somit im übertragenen Sinne eine Textur, in welcher diese Relief-Struktur gespeichert ist. Als Bump-Map wird in der Regel ein Graustufen-Bitmap verwendet.
Um wirkliche Oberflächenunebenheiten zu erzeugen, ohne diese explizit modellieren zu müssen, wird Displacment-Mapping eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird nicht der Normalenvektor anhand einer Textur manipuliert, sondern es werden tatsächlich Oberflächenpunkte verschoben. Im einfachsten Fall erfolgt diese Verschiebung in Richtung der jeweiligen Normalen, und der Texturwert bestimmt als Gewichtsfaktor das Maß der Verschiebung. Die Textur lässt sich in diesem Fall als Höhenfeld interpretieren, die die Oberflächenverschiebung bestimmt.
Das Attribut Transluzenz wird verwendet, um 3d-Objekte bzw. Materialien lichtdurchlässig erscheinen zu lassen. Beispiele für transluzente Materialien sind: Wachs, Gummi, Papier, Milchglas, Blätter...
Reflexions-Mapping ist eine Technik, in welcher eine Spiegelung durch eine Textur-Map oder durch eine prozedurale-Map ohne Raytracingberechnung simuliert wird. Dabei wird die Map so auf die Oberfläche projiziert, daß der gewünschte Eindruck einer Reflexion entsteht. Reflexions-Maps werden in Szenen verwendet, um eine nicht existierende Umgebung zu simulieren. Die Intensität der Spiegelung kann wie bei Raytracing-Reflexionen im Material gesteuert werden. Bei vielen Oberflächenarten erzeugen niedrigere Reflexionswerte jedoch realistischere Ergebnisse. Eine polierte Tischoberfläche zeigt zum Beispiel hauptsächlich eine Holzmaserung, die Reflexionen sind nur wage erkennbar. Reflexion-Mapping wird ohne Raytracing und folglich in der Regel auch schneller berechnet. Die Verwendung von Raytracing-Reflexion und Reflexion-Mapping ist möglich und im gegebenen Fall auch sinnvoll.
Unregelmäßigkeiten bzw. Störungen können die Qualität eines Renderings erheblich steigern. Dafür eignen sich sowohl prozedurale als auch pixelorientierte Texturen. Dirt-Mapping wird in den gängigen 3d-Programmen sehr unterschiedlich realisiert. In der Software Maya kann die Intensität der Farb-Map durch eine zusätzliche Diffuse-Map gesteuert werden. Andere Programme bieten eigene Dirtmap-Shader, Dirtmap-Materialien bzw. Plugins an. Eine gängige Methode für die Realisierung von Dirt-Maps stellt die Kombination von zwei oder mehreren Farb-Maps dar. Ähnlich wie in 2d-Pixelprogrammen können diese Texturen mit unterschiedlichen Methoden wie Multiplizieren und Subtrahieren übereinander gelegt werden.
Shader-Kombinationen wie der Layered Shader in Maya bzw. das Multi-Material in 3dsmax dienen dazu, auf einer Fläche/Objekt die Eigenschaften mehrerer Shader zu vereinen bzw. verschiedene Texturen bzw. Shader übereinander zu legen. Es lassen sich beliebig viele Materialien/Texturen zusammenstellen.
