Bump mapa (Bump map)

Příklady z praxe

1. 01

   Omítka v architektonické vizualizaci

   Stěna je jediný obdélník se dvěma trojúhelníky. Do materiálu se připojí šedotónový sken hrubé omítky jako bump mapa s malou intenzitou, řádově setiny metru. Render dostane věrohodnou strukturu povrchu bez jediného vrcholu navíc a scéna se stovkami stěn zůstane lehká.

2. 02

   Výpočet vychýlené normály ve fragment shaderu

   Shader načte výšku ve třech bodech, dopočítá gradient v UV směrech a tímto gradientem nakloní původní normálu. Krok texelSize odpovídá jednomu pixelu bump mapy, intenzita řídí sílu efektu. Snížení intenzity na nulu vrátí hladké stínování.

   float hL = texture(bumpMap, uv - vec2(texelSize.x, 0.0)).r;
   float hR = texture(bumpMap, uv + vec2(texelSize.x, 0.0)).r;
   float hD = texture(bumpMap, uv - vec2(0.0, texelSize.y)).r;
   float hU = texture(bumpMap, uv + vec2(0.0, texelSize.y)).r;
   
   vec3 gradient = vec3((hL - hR) * intensity, (hD - hU) * intensity, 1.0);
   vec3 N = normalize(TBN * gradient);

Časté omyly

MýtusBump mapa přidá modelu detail, takže nepotřebuju hustou síť.

Ve skutečnostiBump mapa ovlivňuje pouze stínování uvnitř plochy. Silueta objektu zůstane přesně taková, jakou určuje polygonální síť, a při pohledu z boku iluze zmizí.

MýtusBump mapa a normal mapa jsou dvě jména pro totéž.

Ve skutečnostiBump mapa je jednokanálová výška, ze které se normála teprve dopočítává. Normal mapa už obsahuje hotový vektor ve třech kanálech, je přesnější a zvládne i nerovnosti se zkoseným směrem, které z výšky nevyplynou.

MýtusModrofialovou texturu z bakingu můžu použít jako bump mapu.

Ve skutečnostiModrofialová textura je tangent-space normal mapa a do slotu pro bump mapu nepatří. Renderer by její kanály interpretoval jako výšku a stínování by vyšlo chybně; většina nástrojů proto nabízí oddělené vstupy.

Časté dotazy

Jak vyrobit bump mapu z fotografie materiálu?

Bump mapu lze z fotografie odvodit převodem do stupňů šedi, ale samotný jas není výška. Fotografie obsahuje zapečené stíny a barevné skvrny, které se pak projeví jako falešné hrbolky. Praktický postup je odstranit nerovnoměrné osvětlení, potlačit barevné variace, ponechat jen strukturu povrchu a výsledek zkontrolovat renderem se světlem pod ostrým úhlem. U pravidelných materiálů, jako je dlažba nebo pletivo, bývá spolehlivější bump mapu namalovat nebo vygenerovat proceduráně než ji dolovat z fotky.

Proč bump mapa v renderu skoro není vidět?

Nejčastější příčinou je příliš nízká intenzita ve vztahu k měřítku scény, protože hodnota se obvykle zadává v jednotkách modelu. Druhou příčinou bývá plošné, měkké osvětlení: bump mapa se projeví jen tam, kde světlo dopadá pod úhlem, takže rovnoměrná HDRI obloha efekt téměř vymaže. Zkontrolovat je vhodné také barevný prostor textury, která má být načtena jako nelineární data, a zda není textura zmenšena mipmapami natolik, že se detail vyhladil.

Jde bump mapu použít v reálném čase ve hře nebo na webu?

Bump mapa se v reálném čase používá, ale bývá nahrazena normal mapou. Důvodem je výkon: bump mapa vyžaduje několik čtení textury na fragment kvůli dopočtu gradientu, kdežto normal mapa stačí s jedním čtením. Ve WebGL a WebGPU knihovnách existuje samostatný bumpMap slot a hodí se pro rychlý mikrodetail nebo pro materiály generované proceduráně. Pro produkční herní obsah zůstává standardem normal mapa zapečená z high-poly modelu.

Kdy se vyplatí místo bump mapy sáhnout po displacementu?

Displacement se vyplatí tam, kde má být reliéf viditelný na obrysu objektu, kde má vrhat vlastní stín nebo kde po povrchu přejíždí kamera zblízka. Typicky jde o dlažební kostky, hrubě tesaný kámen, terén nebo kůru stromu v popředí. Cenou je výrazně vyšší nárok na paměť a čas, protože renderer musí síť teselovat na hustotu srovnatelnou s rozlišením textury. Běžná praxe kombinuje obojí: displacement nese velké tvary, bump nebo normal mapa dodává jemnou strukturu.

Zdroje

1. Bump mapping(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. OpenGL Shading Language(otevře se v novém okně)Khronos Group
3. Simulation of wrinkled surfaces(otevře se v novém okně)ACM, 1978

Související pojmy

• ShaderShader je malý program, který běží přímo na grafické kartě a určuje, jak se vykreslí geometrie nebo jednotlivý pixel. Spouští se v tisících kopií najednou, každá nad jiným vrcholem nebo pixelem, což je zdroj jeho výkonu i jeho omezení.
• TexturaTextura je datový obraz nebo procedurální vzor, který se v počítačové grafice používá k určení vzhledu povrchu objektu. Může nést barvu, průhlednost, drsnost, normály nebo jiné hodnoty, které shader čte při vykreslování. Textury umožňují bohatý detail bez modelování každé nerovnosti geometrií a výrazně ovlivňují paměť i výkon.
• UV mapováníUV mapování je způsob, jak přiřadit bodům na povrchu 3D modelu souřadnice v 2D textuře. Souřadnice U a V určují, která část obrázku se zobrazí na konkrétním polygonu, takže lze na objekt přesně nanést barvu, detaily materiálu, normálové mapy nebo jiné texturové informace.
• Normálová mapaNormálová mapa je textura, která pro každý texel ukládá směr povrchové normály místo běžné barvy. Renderer podle těchto směrů upravuje výpočet osvětlení, takže plochá geometrie může působit jako členitý materiál v reálném čase. Skutečné vrcholy ani silueta modelu se tím obvykle nemění.
• Displacement mapaDisplacement mapa je textura, jejíž hodnoty určují, o kolik se má každý bod povrchu 3D modelu fyzicky posunout podél normály. Na rozdíl od normálové mapy tedy mění skutečnou geometrii: vzniká reliéf s vlastním obrysem, správným stínem i samostíněním. Vyžaduje ale hustou síť trojúhelníků nebo tesselaci přímo na GPU.
• 3D model3D model je digitální reprezentace objektu nebo prostoru ve třech rozměrech, složená z geometrie, materiálů a často i textur, animací či fyzikálních vlastností. Používá se v hrách, filmech, průmyslovém návrhu, architektuře, e-commerce i simulacích, kde software z modelu počítá zobrazení nebo další data.
• Alfa kanálAlfa kanál je složka obrazových dat, která u pixelu určuje míru neprůhlednosti nebo průhlednosti. Doplňuje barevné kanály, typicky RGB, a umožňuje plynulé okraje, stíny, překryvy, masky i skládání vrstev. Hodnota alfa sama neurčuje barvu, ale říká, jak se barva pixelu promíchá s pozadím.
• Ambient occlusionAmbient occlusion je technika stínování, která u každého bodu povrchu odhaduje, jak velká část okolní polokoule oblohy je zastíněna blízkou geometrií, a podle toho ztlumí rozptýlené okolní světlo. Výsledkem jsou tmavší kouty, spáry, záhyby a místa dotyku objektů, díky nimž scéna působí prostorově a objekty vypadají skutečně položené na podložce.