Bumpmapping
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Bumpmapping, auch Reliefzuordnung, ist eine Technik zur Darstellung von extrem detailreichen Objekten, ohne die Geometriekomplexität des Objekts zu erhöhen, die vor allem in 3D-Visualisierungsprogrammen zum Einsatz kommt. Der Trick dabei ist, dass die benötigten Informationen in einer Textur gelagert werden, mit deren Hilfe Schattierungen auf eine Oberfläche gezeichnet werden.
Bumpmapping ist somit nur eine (wenngleich wirksame) Illusion, welche Oberflächenunebenheiten simuliert, die in der Geometrie des Modells gar nicht vorhanden sind.
Voraussetzung für die Verwendung von Bumpmaps ist ein Beleuchtungsmodell, das auf Per-Pixel-Lighting basiert. APIs wie DirectX oder OpenGL haben die nötigen Routinen bereits vorliegen. Meistens wird jedoch eine Kombination aus Vertex und Pixel-Shadern verwendet, um die nötigen Effekte exakt zu kontrollieren.
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[Bearbeiten] Heightmapping
Die Informationen liegen in Form von relativen Höhendaten vor. Dabei wird eine Textur verwendet, die in Graustufen vorliegt, wobei jeder Grauwert eine bestimmte Höhe repräsentiert. Normalerweise ist Schwarz (Farbwert 0) die „tiefste“ Stelle und Weiß (Farbwert: 255) die „höchste“. Diese Form der Datenspeicherung ist nicht nur auf Bumpmapping beschränkt, viel öfter kommt sie bei der Generierung von riesigen Terrains zum Einsatz.
[Bearbeiten] Normalmapping
In einer Normalmap werden anstatt von Höheninformationen Vektoren in ein RGB-Farbentripel konvertiert. Jeder Pixel besteht aus 3 Farbenkanälen: Rot, Grün und Blau. Diese können als X,Y und Z interpretiert werden: der Vektor muss nur mehr normalisiert werden, um daraus den Helligkeitsfaktor am betreffenden Punkt zu berechnen (siehe Per-Pixel-Lighting). Hierbei muss beachtet werden, dass der Vektor, der aus den Farbwerten berechnet wird, im Tangentenraum vorliegt. Um die nötigen Berechnungen durchführen zu können, muss dieser Vektor in das Weltkoordinatensystem transformiert werden. Alternativ könnten auch alle anderen Vektoren (Kamera-Punkt, Licht-Punkt) in das Tangentenkoordinatensystem verschoben werden.
[Bearbeiten] Anwendung
Der 3D-Modeller baut zwei Versionen eines Modells auf: eine hochauflösende, sehr detailreiche (100.000+ Polygone) und eine für das fertige Programm bestimmte, undetaillierte (100–10.000 Polygone). Ein Programm berechnet den Unterschied zwischen den beiden Modellen und beschreibt mit den gewonnenen Daten eine Textur. Diese Textur wird dann auf das Low-Res-Modell aufgespannt. Im fertigen Spiel/Bild/Anwendung bekommt der Benutzer den Eindruck, dass das hochdetaillierte Modell verwendet wird.
Außerdem kann eine Heightmap in eine Normalmap umgewandelt werden, welche heutzutage am häufigsten verwendet wird.
Bumpmapping verbessert die Bildqualität und den Realismusgrad, ohne sich groß auf die Performance niederzuschlagen. Außerdem ist das Einsatzgebiet nicht nur auf Schattierungen begrenzt. Reflexionen können mit dieser Technik genau so „gebumpt“ werden.
Im Unterschied zum Bumpmapping wird beim Displacement Mapping auch die Objekt-Geometrie entsprechend dem Oberflächenprofil verändert. Dies erfordert einen wesentlich größeren Rechenaufwand beim Rendern, wird aber von neueren Grafikprozessoren bereits in Hardware realisiert. Neuere Grafikengines wie zum Beispiel die Unreal-Engine 3 sind in der Lage Displacement Mapping vorzugaukeln: Über Modifikationen der Texturkoordinaten auf Per-Pixel-Basis werden Effekte simuliert, die die (nicht existenten, nur beleuchteten) Unebenheiten plastisch wirken lassen. Die einfachste dieser Varianten nennt sich Parallax-Mapping und berechnet aus einer Heightmap die neuen Texturkoordinaten relativ zur Kameraposition. Der Nachteil ist, dass eigentlich nicht sichtbare Pixel trotzdem gerendert werden. Abhilfe schafft nur das Speichern zusätzlicher Beziehungen zwischen Texel (Verdeckungen) über weitere Texturen (View-Dependent Mapping). Diese Effekten werden oft unter Virtual Displacementmapping zusammengefasst.
Bild 1 und 2: Beide Objekte sind geometrisch identisch, jedoch sieht das rechte dank Bump Mapping viel detailreicher aus.
Es ist zu beachten, dass die Oberfläche des rechten Objekts weiterhin vollkommen flach ist, da nur die Farbwerte der Textur verändert werden und nicht, wie beim Displacement Mapping, die Form des Objekts.
Bild 3: Das ist die in Bild 2 verwendete Bump-Map
Bumpmapping spielt bereits eine große Rolle in zukünftigen Projekten der Unterhaltungsindustrie, da sich die visuelle Qualität drastisch verbessern lässt, ohne groß die Leistung zu beeinträchtigen.
