Texture Mapping

Der Begriff Texture Mapping (deutsch etwa „Musterabbildung“) bezeichnet ein Verfahren der 3D-Computergrafik. Es dient dazu, die Flächen dreidimensionaler Oberflächenmodelle mit zweidimensionalen Bildern – sogenannten „Texturen“ – und Oberflächeneigenschaften auszustatten. Texturen lassen computergenerierte Bilder detailreicher und realistischer erscheinen, ohne dass das zugrundeliegende Modell selbst verfeinert werden muss.

PBR-Pipeline

Physically Based Rendering (PBR) ist die physikalisch plausible Annäherung an Reflexionseigenschaften von Oberflächen. Man unterscheidet zwei grundlegende Arbeitsmethoden die von der DCC-Software bereitgestellt werden kann:

1. Metallic Workflow
   die metallische Rauheit mit den Kerneingängen Grundfarbe, Metallizität und Rauheit
   Spiel-Engines, Materialize
2. Specular Workflow
   der spiegelnde Glanz mit diffuser Farbe, Spiegelung und Glanz
   Offline-Rendering

Die gebräuchlichsten Texturen, die zur Simulation der Eigenschaften des physischen Objekts erzeugt werden, sind:

• Diffuse Map (auch Albedo Map, Texture Map)
• Normal Map
• Metallic oder Specular Map
• Roughness Map (im Gegensatz zur Smoothness Map)
• Ambient Occlusion (AO) Map

Zur Erzeugung von photogrammetrischen PBR-Materialkarten wird die Software Materialize eingesetzt. Die Erzeugung ist in zwei Schritte unterteilt:

1. Schritt: Diffuse Map und Bump Map (Height Map + Normal Map)
2. Schritt: Vollständiges PBR-Material auf dieser Basis

Diffuse Map

_d maps
Diese Textur enthält die Grundfarbinformationen der Oberfläche oder die Grundreflexion (Oberflächenfarben, Muster), wenn die Texel metallisch sind. Diffuse Maps sind nur für Nicht-Metalle farbig. Für Metalle sollten sie schwarz sein, da sie nur diffuses Licht darstellen und die Farbe von Metallen in der Specular Map behandelt wird. Die Albedo-Map sammelt keine Beleuchtungsinformationen im Vergleich zur diffusen Karte, unbeleuchtetes Erscheinungsbild eines Materials ohne Schatten. Schatten und Reflektionen werden nachträglich und im Zusammenhang mit der Visualisierungsszene hinzugefügt.

Bump Map

Bump Mapping ist eine Textur-Mapping-Technik in der Computergrafik zur Simulation von Unebenheiten und Falten auf der Oberfläche eines Objekts. Beim Bumpmapping wird die Beleuchtungsberechnung mit einem über die Oberfläche variiertem Normalvektor gemacht. Dies wird erreicht, indem die Oberflächennormalen des Objekts gestört werden und die gestörten Normalen bei der Beleuchtungsberechnung verwendet werden. Das Ergebnis ist eine scheinbar unebene statt einer glatten Oberfläche, obwohl die Oberfläche des darunter liegenden Objekts nicht verändert wird. Normal Mapping ist die am häufigsten verwendete Variante des Bump Mapping.

Height Map

Die relativen Höheninformationen (Vorsprünge und Vertiefungen) liegen in einer Textur in Form von Graustufen vor – der sogenannten Heightmap. Jeder Grauwert steht für eine bestimmte Höhe. Normalerweise ist Schwarz (Wert 0) die „tiefste“ Stelle und Weiß (Wert: 255) die „höchste“.

In Materialize 1.78 wird aus einem Bild zuerst die Height Map erstellt. Die meisten modernen 3D-Computermodellierungsprogramme sind in der Lage, Daten von Höhenkarten in Form von Bump-, Normal- oder Verschiebungskarten zu verwenden, um schnell und präzise komplexe Gelände- und andere Oberflächen zu erstellen.

Normal Map

Flächennormalen stehen senkrecht auf der Oberfläche

Normal Map Wirkung

_n maps
Normal Mapping (oder auch Dot3 bump mapping, displacement mapping) ist ein Begriff aus der 3D-Computergrafik und wird dazu verwendet, größeren Detailreichtum in Schattierungen zu erzielen, ohne die Zahl der Polygone zu erhöhen.

Beim Normal Mapping werden die für die Beleuchtung relevanten Informationen über die Ausrichtung der Normalen von einem hoch auf ein niedrig aufgelöstes 3D-Modell übertragen. Das Detail der Oberfläche bleibt somit optisch erhalten. Sichtbar ist das niedrige Detail lediglich an der Silhouette.

Spiegelreflexion, diffuse Reflexion und Normal Map

Specular Map

_s maps
Die Specular- oder Metallic- oder Gloss-Maps geben mit einer Graustufenmaske den Glanzgrad nicht gleichmäßig glänzender Oberflächen an. Der Glanz ist besonders stark bei Metallen, Keramik und manchen Kunststoffen. Metallic-Maps definieren, welche Teile des Materials aus Metall sind. Schwarz ist Nicht-Metall, Weiß ist Metall. Graue Werte sollten nicht verwendet werden, außer für Rost oder einen anderen Übergang. Specular Maps definieren das Reflexionsvermögen und die Farbe des reflektierten Lichts. Diese sind für Metalle gefärbt. Bei der Darstellung von Nichtmetallen sollten die Werte grau (nicht eingefärbt) gehalten werden.

Die Helligkeit kann zur Steuerung des F₀ verwendet werden. Die Werte sollten zwischen 0,02 und 0,05 bzw. 2-5 % F₀ für Nichtmetalle und 0,5 bis 1,0 bzw. 50-100 % F₀ für Metalle liegen.

Roughness Map

Die Rauheitskarte (im Gegensatz zur Glattheitskarte, Glanzkarte) definiert, wie rau jedes Texel ist, die Lichtstreuung und -richtung beeinflusst, während die Lichtintensität konstant bleibt. Materialize verwendet Smoothness statt Roughness, eine einfache Farbumkehrung kann die beiden Werte vertauschen. Glättungskarten (auch Glanz genannt) bestimmen, wo das Licht scheint und wo es gestreut wird. Weiße Bereiche sind glänzend, schwarze Bereiche sind rau. Dies spiegelt die Farbe der Umgebung/des Lichts wider, ohne die Farbe des Materials zu mischen, im Gegensatz zu den Specular Maps.

Edge Map

Edge Maps oder Curvature Maps stellen die relative Geometrie des Meshes in Konkavität und Konvexität dar. Dies kann als Maske verwendet werden, um beispielsweise Abnutzungseffekte an Kanten oder Schmutzablagerungen um Hohlräume zu erzeugen. Dies ist eine sehr situationsabhängige Karte, die in den meisten Fällen nicht benötigt wird.

AO Map

Die Ambient Occlusion (AO)-Karte wird verwendet, um Informationen zur indirekten Beleuchtung zu liefern, Einführung eines zusätzlichen Schattierungsfaktors zur Verbesserung der Geometrieoberfläche. Die Karte ist ein Graustufenbild, bei dem weiße Bereiche die Bereiche markieren, die ausschließlich indirekt beleuchtet werden.

Ambient Occlusion (AO) Maps definieren, wo Licht absorbiert wird. Da die Berechnung von AO zur Laufzeit rechenintensiv sein kann, können diese Karten gebacken werden, um ein effizienteres Rendering auf Kosten des Speichers zu ermöglichen. Eine Spielszene kann eine Mischung aus gebackener und dynamischer Ambient Occlusion enthalten, je nach der erforderlichen Optimierung.

Reste

PBR Unterschiede DigitalProduction

• Reihe 1: Diffuse Reflexion mit zunehmender Rauheit
• Reihe 2: Metallische Reflexion mit abnehmender Rauheit
• Reihe 3: Nicht-Leiter mit abnehmender Rauheit
• Reihe 4: Festglas mit zunehmender Rauheit in der Strahlverteilung (Streuung)

Siehe auch

• ResearchGate 2022: UAV photogrammetric survey and Image-Based elaborations for an Industrial Plant - DISEGNARECON https://www.researchgate.net/publication/369944303 (PDF, abgerufen am 01.12.2924)
• Einsteigerguide: Die Grundlagen des Texture Mappings. https://viscircle.de/einsteigerguide-die-grundlagen-des-texture-mappings/ (abgerufen am 30.11.2924)
• Feywick Games © 2024: PBR Materials - Learn the basics of Physically Based Rendering (PBR) https://www.feywickgames.com/pbr-material-basics/ (abgerufen am 02.12.2924)
• MIP-maps
• RGB Split in paint.net
• Fallout 4 Texture Maps
• DirectDraw Surface