Mapeo de texturas

Los mapas de texturas se pueden obtener mediante escaneo o fotografía digital , diseñar con software de manipulación de imágenes como GIMP o Photoshop , o pintar directamente sobre superficies 3D con una herramienta de pintura 3D como Mudbox o ZBrush .

Este proceso es similar a aplicar papel estampado a una caja blanca lisa. A cada vértice de un polígono se le asigna una coordenada de textura (que en el caso 2D también se conoce como coordenadas UV ). ^{[ 8 ]} Esto puede hacerse mediante la asignación explícita de atributos de vértice , editados manualmente en un paquete de modelado 3D a través de herramientas de despliegue UV . También es posible asociar una transformación procedimental del espacio 3D al espacio de textura con el material . Esto podría lograrse mediante proyección planar o, alternativamente, mapeo cilíndrico o esférico . Los mapeos más complejos pueden considerar la distancia a lo largo de una superficie para minimizar la distorsión. Estas coordenadas se interpolan a través de las caras de los polígonos para muestrear el mapa de textura durante el renderizado. Las texturas pueden repetirse o reflejarse para extender un mapa de bits rectangular finito sobre un área mayor, o pueden tener un mapeo " inyectivo " único uno a uno de cada pieza de una superficie (lo cual es importante para el mapeo de renderizado y el mapeo de luz , también conocido como horneado ).

El multitexturizado consiste en el uso de más de una textura a la vez en un polígono. ^{[ 9 ]} Por ejemplo, se puede usar una textura de mapa de luz para iluminar una superficie como alternativa a recalcular esa iluminación cada vez que se renderiza la superficie. Las microtexturas o texturas de detalle se utilizan para añadir detalles de mayor frecuencia, y los mapas de suciedad añaden desgaste y variación; esto puede reducir considerablemente la periodicidad aparente de las texturas repetidas. Los gráficos modernos pueden usar más de 10 capas, que se combinan mediante sombreadores , para una mayor fidelidad. Otra técnica de multitexturizado es el mapeo de relieve , que permite que una textura controle directamente la dirección de una superficie para los cálculos de iluminación; puede dar una muy buena apariencia de una superficie compleja (como la corteza de un árbol o el hormigón rugoso) que adquiere detalles de iluminación además del color detallado habitual. El mapeo de relieve se ha popularizado en los videojuegos, ya que el hardware gráfico se ha vuelto lo suficientemente potente como para soportarlo en tiempo real. ^{[ 10 ]}

La forma en que se calculan las muestras (por ejemplo, cuando se ven como píxeles en la pantalla) a partir de los texeles (píxeles de textura) está determinada por el filtrado de texturas . El método más económico es usar la interpolación del vecino más cercano , pero la interpolación bilineal o la interpolación trilineal entre mipmaps son dos alternativas comúnmente utilizadas que reducen el aliasing o los bordes dentados . En caso de que una coordenada de textura esté fuera de la textura, se recorta o se envuelve . El filtrado anisotrópico elimina mejor los artefactos direccionales cuando se visualizan texturas desde ángulos de visión oblicuos.

La transmisión de texturas es un método que utiliza flujos de datos para las texturas, donde cada textura está disponible en dos o más resoluciones diferentes. Esto permite determinar qué textura debe cargarse en la memoria y utilizarse en función de la distancia de renderizado desde el observador y la cantidad de memoria disponible para texturas. La transmisión de texturas permite que un motor de renderizado utilice texturas de baja resolución para objetos alejados de la cámara del observador y las convierta en texturas más detalladas, leídas de una fuente de datos, a medida que el punto de vista se acerca a los objetos.

Como optimización, es posible renderizar detalles de un modelo complejo de alta resolución o de un proceso costoso (como la iluminación global ) en una textura de superficie (posiblemente en un modelo de baja resolución). Esta técnica se llama horneado (o mapeo de renderizado ) y se usa más comúnmente para mapas de luz , pero también puede usarse para generar mapas normales y mapas de desplazamiento . Algunos videojuegos (por ejemplo, Messiah ) han utilizado esta técnica. El motor de software original de Quake usaba el horneado en tiempo real para combinar mapas de luz y mapas de color en un proceso llamado almacenamiento en caché de superficie .

El horneado de texturas puede utilizarse como una forma de generación de nivel de detalle , donde una escena compleja con muchos elementos y materiales diferentes puede aproximarse mediante un único elemento con una sola textura, que luego se reduce algorítmicamente para disminuir el coste de renderizado y el número de llamadas de dibujo . También se utiliza para tomar modelos de alto detalle de software de escultura 3D y escaneo de nubes de puntos y aproximarlos con mallas más adecuadas para el renderizado en tiempo real.

El mapeo de texturas afín interpola linealmente las coordenadas de textura a través de una superficie, lo que lo convierte en la forma más rápida de mapeo de texturas. Algunos programas y hardware (como laPlayStation)proyectanvértices en el espacio 3D sobre la pantalla durante el renderizado einterpolan linealmentelas coordenadas de texturaen el espacio de la pantallaentre ellos. Esto puede hacerse incrementandolas coordenadas UVde punto fijo o mediante unalgoritmo de error incrementalsimilar alalgoritmo de línea de Bresenham.

A diferencia de los polígonos perpendiculares, esto produce una distorsión notable con las transformaciones de perspectiva (como se muestra en la figura: la textura de cuadros aparece doblada), especialmente en las primitivas cercanas a la cámara . Esta distorsión se puede reducir subdividiendo los polígonos en polígonos más pequeños.

El uso de primitivas de cuatro puntos para objetos rectangulares puede resultar menos incorrecto que si esos rectángulos se dividieran en triángulos. Sin embargo, dado que la interpolación de cuatro puntos añade complejidad a la rasterización, la mayoría de las primeras implementaciones preferían únicamente los triángulos. Algunos dispositivos, como el mapeo de texturas directo utilizado por la Nvidia NV1 , ofrecían primitivas de cuatro puntos eficientes. Con la corrección de perspectiva, los triángulos se vuelven equivalentes a las primitivas de cuatro puntos y esta ventaja desaparece.

Para objetos rectangulares perpendiculares al observador (como suelos y paredes), la perspectiva solo necesita corregirse en una dirección a lo largo de la pantalla, en lugar de en ambas. El mapeo de perspectiva correcto se puede calcular en los bordes izquierdo y derecho del suelo. La interpolación lineal afín a lo largo de ese tramo horizontal se verá correcta porque cada píxel a lo largo de esa línea está a la misma distancia del observador.

El texturizado con corrección de perspectiva tiene en cuenta las posiciones de los vértices en el espacio 3D en lugar de simplemente interpolar coordenadas en el espacio de la pantalla 2D. ^{[ 11 ]} Si bien se logra el efecto visual correcto, el texturizado con corrección de perspectiva es más costoso de calcular. ^{[ 11 ]}

Para realizar la corrección de perspectiva de las coordenadas de textura${\displaystyle u}$y${\displaystyle v}$, con${\displaystyle z}$Siendo el componente de profundidad desde el punto de vista del espectador, es posible aprovechar el hecho de que los valores${\displaystyle {\frac {1}{z}}}$,${\displaystyle {\frac {u}{z}}}$, y${\displaystyle {\frac {v}{z}}}$son lineales en el espacio de la pantalla a lo largo de la superficie que se está texturizando. En contraste, el original${\displaystyle z}$,${\displaystyle u}$, y${\displaystyle v}$Antes de la división, los valores no son lineales en la superficie en el espacio de la pantalla. Por lo tanto, es posible interpolar linealmente estos recíprocos en la superficie, calculando valores corregidos en cada píxel, para producir un mapeo de textura con perspectiva correcta.

Para ello, se calculan los recíprocos en cada vértice de la geometría (tres puntos para un triángulo). Vértice${\displaystyle n}$tiene recíprocos${\displaystyle {\frac {u_ {n}} {z_ {n}}}}$,${\displaystyle {\frac {v_{n}}{z_{n}}}}$, y${\displaystyle {\frac {1}{z_{n}}}}$. Luego, se puede realizar una interpolación lineal sobre estos recíprocos entre los${\displaystyle n}$vértices (por ejemplo, usando coordenadas baricéntricas ), lo que da como resultado valores interpolados a lo largo de la superficie. En un punto dado, esto produce el valor interpolado.${\displaystyle u_{i},v_{i}}$y${\displaystyle {\frac {1}{z_{i}}}}$(recíproca${\displaystyle z_{i}}$). Sin embargo, como nuestra división por${\displaystyle z}$alteraron su sistema de coordenadas, esto${\displaystyle u_{i},v_{i}}$no se puede utilizar como coordenadas de textura. Para corregirlo, vuelva al${\displaystyle u,v}$espacio, el corregido${\displaystyle z}$se calcula tomando el recíproco una vez más:${\displaystyle z_{correct}={\frac {1}{\frac {1}{z_{i}}}}}$. Esto se utiliza luego para corregir el${\displaystyle u_{i},v_{i}}$coordenadas:${\displaystyle u_{correcto}=u_{i}\cdot z_{i}}$y${\displaystyle v_{correcto}=v_{i}\cdot z_{i}}$. ^{[ 12 ]}

Esta corrección hace que la diferencia píxel a píxel entre las coordenadas de textura sea menor en las partes del polígono que están más cerca del observador (estirando la textura para que sea más ancha) y mayor en las partes que están más lejos (comprimiendo la textura).

El mapeo de texturas afín interpola directamente una coordenada de textura.${\displaystyle u_{\alpha }}$entre dos puntos finales${\displaystyle u_{0}}$y${\displaystyle u_{1}}$: $${\displaystyle u_{\alpha }=(1-\alpha )u_{0}+\alpha u_{1}}$$ dónde${\displaystyle 0\leq \alpha \leq 1}$.

El mapeo correcto de perspectiva interpola después de dividir por profundidad.${\displaystyle z}$, luego utiliza su recíproco interpolado para recuperar la coordenada correcta: $${\displaystyle u_{\alpha }={\frac {(1-\alpha ){\frac {u_{0}}{z_{0}}}+\alpha {\frac {u_{1}}{z_{1}}}}{(1-\alpha ){\frac {1}{z_{0}}}+\alpha {\frac {1}{z_{1}}}}}}$$El hardware de gráficos 3D suele admitir texturizado con corrección de perspectiva.

Se han desarrollado diversas técnicas para renderizar geometría con texturas mapeadas en imágenes con diferentes compromisos de calidad y precisión, que se pueden aplicar tanto al software como al hardware.

Los programas clásicos de mapeo de texturas generalmente solo realizaban un mapeo de texturas simple con un efecto de iluminación como máximo (normalmente aplicado a través de una tabla de consulta ), y la corrección de la perspectiva era aproximadamente 16 veces más costosa.

El motor de Doom limitaba el mundo a paredes verticales y suelos y techos horizontales, con una cámara que solo podía girar sobre el eje vertical. Esto significaba que las paredes mantenían una coordenada de profundidad constante a lo largo de una línea vertical, mientras que los suelos y techos mantenían una profundidad constante a lo largo de una línea horizontal. Tras realizar un cálculo de corrección de perspectiva para la profundidad, el resto de la línea podía utilizar un mapeo afín rápido. Algunos renderizadores posteriores de esta época simulaban una pequeña inclinación de la cámara mediante cizallamiento , lo que permitía una mayor sensación de libertad utilizando la misma técnica de renderizado.

Algunos motores pudieron renderizar mapas de altura con texturas (por ejemplo, Voxel Space de Nova Logic y el motor de Outcast ) mediante algoritmos incrementales tipo Bresenham , produciendo la apariencia de un paisaje con texturas sin el uso de primitivas geométricas tradicionales. ^{[ 13 ]}

Cada triángulo se puede subdividir en grupos de aproximadamente 16 píxeles para lograr dos objetivos: mantener el proceso aritmético en constante actividad y obtener resultados aritméticos más rápidos.

subdivisión del espacio de la pantalla

Los renderizadores de software generalmente prefieren la subdivisión de pantalla porque requiere menos recursos. Además, intentan realizar una interpolación lineal a lo largo de una línea de píxeles para simplificar la configuración (en comparación con la interpolación afín 2D), lo que reduce aún más los recursos. Otra razón es que el mapeo de texturas afín no se ajusta al bajo número de registros de la CPU x86 ; los procesadores 68000 y RISC son mucho más adecuados para este enfoque.

Se adoptó un enfoque diferente para Quake , que calcularía las coordenadas de perspectiva correctas solo una vez cada 16 píxeles de una línea de exploración e interpolaría linealmente entre ellas, funcionando efectivamente a la velocidad de la interpolación lineal porque el cálculo de perspectiva correcta se ejecuta en paralelo en el coprocesador. ^{[ 14 ]} Como los polígonos se renderizan de forma independiente, puede ser posible cambiar entre tramos y columnas o direcciones diagonales dependiendo de la orientación de la normal del polígono para lograr un z más constante, pero el esfuerzo no parece valer la pena.

El hardware de mapeo de texturas se desarrolló originalmente para simulación (por ejemplo, en los generadores de imágenes digitales ESIG y DIG de Evans y Sutherland , y Singer-Link) y estaciones de trabajo gráficas profesionales (como Silicon Graphics ), así como para máquinas de efectos de vídeo digital para retransmisiones, como la Ampex ADO . Posteriormente, a mediados de la década de 1990, el hardware de mapeo de texturas apareció en máquinas recreativas , consolas de videojuegos para el consumidor y tarjetas gráficas para PC.

En las simulaciones de vuelo , el mapeo de texturas proporcionó importantes señales de movimiento y altitud necesarias para el entrenamiento de pilotos, que no estaban disponibles en superficies sin textura. Además, el mapeo de texturas se implementó para que el procesador de vídeo pudiera acceder en tiempo real al procesamiento de patrones de textura prefiltrados almacenados en memoria. ^{[ 16 ]}

Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) modernas proporcionan unidades de función fija especializadas llamadas muestreadores de texturas o unidades de mapeo de texturas , para realizar el mapeo de texturas, generalmente con filtrado trilineal o mejor filtrado anisotrópico multitap , y hardware para decodificar formatos específicos como DXTn . A partir de 2016, el hardware de mapeo de texturas es omnipresente, ya que la mayoría de los SOC contienen una GPU adecuada.

Algunas implementaciones de hardware combinan el mapeo de texturas con la determinación de superficies ocultas en el renderizado diferido basado en mosaicos o en el renderizado por líneas de exploración ; estos sistemas solo obtienen los texeles visibles a costa de utilizar un mayor espacio de trabajo para los vértices transformados. La mayoría de los sistemas se han decantado por el enfoque de búfer Z , que aún puede reducir la carga de trabajo del mapeo de texturas con la clasificación de adelante hacia atrás .

En los primeros equipos gráficos, existían dos paradigmas contrapuestos sobre cómo mostrar una textura en la pantalla:

1. El mapeo de texturas directo itera a través de cada texel de la textura y decide dónde colocarlo en la pantalla.
2. En cambio, el mapeo de texturas inverso itera a través de los píxeles de la pantalla y decide qué texel usar para cada uno.

De estos métodos, el mapeo inverso de texturas se ha convertido en un estándar en el hardware moderno.

Es posible utilizar hardware de mapeo de texturas para acelerar tanto la reconstrucción de conjuntos de datos de vóxeles a partir de escaneos tomográficos como para visualizar los resultados . ^{[ 17 ]}

Muchas interfaces de usuario utilizan el mapeo de texturas para acelerar las transiciones animadas de los elementos de la pantalla, por ejemplo Exposé en Mac OS X.