Teksturowanie w grafice komputerowej Michał Radziszewski

Plan prezentacji Cel użycia tekstur Mapowanie tekstur Filtrowanie – rekonstrukcja, prefiltrowanie Próbkowanie losowe HDRI Pełne widmo Kompresja tekstur Teksturowanie proceduralne

Cel użycia tekstur Poprawa jakości grafiki Szczegółowe obrazy bez konieczności wykorzystania ogromnej ilości wielokątów Głównie kolor, ale nie tylko Niezależny kolor matowy i kolor połysku Siła połysku Przezroczystość Mapowanie nierówności / przemieszczeń I wiele innych

Tekstury – kolor

Tekstury – przezroczystość © Plus3D

Mapowanie przemieszczeń © William Donnelly

Mapowanie tekstur Podstawowy algorytm mapowania na płaskie wielokąty, historycznie – brak korekcji perspektywy Mapowanie ogólne – dwuwymiarowa powierzchnia musi być parametryzowalna Tekstury trójwymiarowe

Tekstury trójwymiarowe

Filtrowanie Rekonstrukcja – współrzędne teksturo-wanego punktu na ogół niecałkowite Należy zrekonstruować wartość tekstury w dowolnym punkcie Obrazy często nie są zapisami poprawnie (zgod-nie z tw. Shannona) próbkowanego sygnału Teoretycznie idealny filtr oparty o funkcję sinc może powodować ‘dzwonienie’

Filtrowanie – rekonstrukcja Należy zrekonstruować wartość tekstury w dowolnym punkcie – cd. W praktyce używane są filtry gaussowskie albo wielomianowe, kompromis pomiędzy dzwonie-niem, rozmyciem a kosztem obliczeniowym

Filtrowanie – rekonstrukcja 1D © Matt Pharr

Prefiltrowanie Nawet idealna rekonstrukcja nie zawsze jest skuteczna Na skutek złożenia mapowania na wielokąt z mapowaniem na ekran rozdzielczość tekstury może ulec zmniejszeniu Prefiltrowanie – usunięcie z tekstury częstotliwości powodujących aliasing w ww. przypadku

Prefiltrowanie – cd. MIP mapy, trilinear filtering, anisotropic filtering © 3D Mark 2006

Prefiltrowanie – cd. © 3D Mark 2006

Prefiltrowanie – cd. © 3D Mark 2006

Prefiltrowanie – cd. © Extremetech

Próbkowanie losowe Stosowane wtedy, gdy nie można zastosować filtrowania analitycznego (np. map nierówności czy przeźroczystości) Zamienia aliasing na szum, który jest redukowany poprzez dużą ilość próbek Zastępuje tylko prefiltrowanie, dobry algorytm rekonstrukcji nadal jest konieczny Zawsze działa bezbłędnie, ale kosztowne obliczeniowo

Próbkowanie losowe – cd. © Matt Pharr

HDRI High Dynamic Range Imaging Konwencjonalne obrazy – format stałoprzecinkowy, na ogół 256 wartości Pełna precyzja – tylko dla wartości >128 Brak detali w cieniu HDRI – format zmiennoprzecinkowy Pełna precyzja niezależnie od jasności Na ogół 16 bitów, tzw. ‘half’

HDRI – cd. Znacznie lepszy kontrast przy zachowaniu detali na najjaśniejszych i najciemniejszych elementach Na zwykłym projektorze niestety nie można pokazać nic poza tym: © OpenEXR

Pełne widmo a RGB Model RGB nie ma żadnego uzasadnienia fizycznego – został zaprojektowany do wyświetlania i przechowywania obrazów biorąc pod uwagę fizjologię ludzkiego oka oraz charakterystyki monitorów Niestety rendering w oparciu o RGB w ogólnym przypadku nie jest poprawny

Pełne widmo – motywacja Zniekształcanie kolorów – RGB poprawne tylko dla oświetlenia białego Zjawiska zależne od długości fali światła

Pełne widmo – motywacja

Pełne widmo – cd. Ale niemal wszystkie tekstury są w formacie RGB – konieczność konwersji Pełne widmo zawiera dużo więcej informa-cji, niż może przechować tekstura RGB Istnieją różne warianty takiej konwersji – każdy z nich jest ‘zgadywany’, nie da się powiedzieć który z nich jest lepszy

Pełne widmo – cd. Przykładowa konwersja widma r(l), g(l), b(l), gdzie l – długość fali r(l) + g(l) + b(l) = 1, 0 ≤ x(l) ≤ 1 Wynik konwersji: s(l) = R*r(l) + G*g(l) + B*b(l)

Pełne widmo – cd. Wynikiem renderingu w oparciu o pełne widmo jest obraz nie dający się wyświetlić Konieczna jest konwersja powrotna do RGB, na ogół poprzez przestrzeń XYZ Konieczność mapowania zakresu jasności oraz kolorów nie reprezentowalnych w RGB Najlepszy format do przechowywania takich wyników – wariant HDR

Kompresja tekstur Tekstury o wysokiej rozdzielczości zajmują dużo pamięci Kompresja tekstur powoduje mniejszą utratę jakości niż zmniejszenie rozdzielczości Kompromis pomiędzy jakością tekstur, wymaganą mocą obliczeniową a zajętością pamięci

Kompresja tekstur – cd. Wymagania Kompresja bezstratna, np. PNG Szybkie dekodowanie (kodowanie mniej istotne) Swobodny dostęp w przypadku śledzenia promieni (niekonieczny przy rasteryzacji) Kompresja bezstratna, np. PNG Dobra do grafiki tworzonej ręcznie, zrzutów ekranu, itp., ale nie nadaje się do kompresji zdjęć, będących często podstawą tekstur Brak swobodnego dostępu

Kompresja tekstur – cd. Kompresja stratna – np. JPG Dobry (ok. 10-20x) współczynnik kompresji dla zdjęć przy zachowaniu akceptowalnej jakości Utrata jakości objawia się poprzez rozmycie szczegółów i rozpad obrazu na bloki 8x8 albo 16x16, jednak rozpad można skorygować Kosztem niewielkiego (ok. 15% przy kompresji 10x) narzutu pamięciowego można uzyskać dostęp swobodny Niezbyt wydajna dekompresja

Kompresja tekstur – cd. Format specjalizowany – np. DXT Kompresja stratna Jakość lepsza niż przy ograniczeniu rozdzielczości ale gorsza niż dla obrazów JPG Optymalizowany pod kątem kart graficznych Bardzo szybka dekompresja

Teksturowanie proceduralne Zastosowanie programu do utworzenia tekstur Program wykonywany jest w trakcie renderingu Niemal brak zużycia pamięci Wymagana duża moc obliczeniowa

Teksturowanie proceduralne © David Ebert

Teksturowanie proceduralne color main { return blend( blend(color([0.2 0.6]), color([0.6 0.2]), noise(addr=8.0*$uv+16.0)*0.333+0.5), color([0.95 0.9]), marble(addr=12.0*$uv, layers=[0.375, 0.375], amplitude=1.0, roughness=0.25, bright_dark=0.5, c_octaves=6 )) * blend( blend(color([0.2 0.4]), color([0.5 0.2]), noise(addr=8.0*$uv+48.0)*0.333+0.5), blend(color([0.95 0.9]), color([1.0 0.7 0.2 0.1]), noise(addr=8.0*$uv+128)*0.333+0.5), marble(addr=12.0*$uv+4.0, layers=[0.375, 0.375], amplitude=0.75, roughness=0.375, bright_dark=0.375, }

Teksturowanie proceduralne Możliwość efektywnej kontroli nad parametrami tekstury Duża ilość szczegółów Olbrzymia różnorodność scen Nie zawsze łatwo da się zastosować np. twarz człowieka ściana z obrazem

Podsumowanie Właściwe użycie tekstur decyduje o jakości grafiki Bardzo ważne jest odpowiednie filtrowanie tekstur Warto rozważyć stosowanie bardziej zaawansowanych formatów niż 24bit RGB Konieczność wyważenia zużycia pamięci i mocy obliczeniowej