Displacement mapa (displacement map)

Příklady z praxe

1. 01

   Dlažba v architektonické vizualizaci

   Plocha chodníku má v materiálu displacement mapu z fotogrammetrického skenu dlažebních kostek. Bez subdivize vypadá plocha rovně, po zapnutí adaptivní subdivize v rendereru se kostky vysunou a začnou vrhat stíny do spár. Na okraji chodníku je vidět nerovný obrys, což normálová mapa nedokáže.

2. 02

   Posun vrcholů ve vertex shaderu

   V realtime enginu se výška terénu čte z 16bitové heightmapy přímo ve vertex shaderu. Textura se vzorkuje pomocí textureLod, protože ve vertex fázi neexistují automatické derivace pro výběr mipmapy. Škálovací konstanta převádí normalizovanou hodnotu 0 až 1 na metry ve scéně.

   #version 330 core
   layout(location = 0) in vec3 aPos;
   layout(location = 1) in vec3 aNormal;
   layout(location = 2) in vec2 aUV;
   
   uniform sampler2D uDisplacement;
   uniform float uScale;   // maximalni vyska v metrech
   uniform mat4 uMVP;
   
   void main() {
       float h = textureLod(uDisplacement, aUV, 0.0).r;
       vec3 displaced = aPos + aNormal * (h * uScale);
       gl_Position = uMVP * vec4(displaced, 1.0);
   }

Časté omyly

MýtusDisplacement mapa a normálová mapa dělají v podstatě totéž, jen jinak vypadají.

Ve skutečnostiNormálová mapa mění pouze vstup do výpočtu osvětlení, geometrie zůstává rovná a na siluetě je detail neviditelný. Displacement mapa posouvá skutečné vrcholy, takže mění obrys, samostínění i to, jak povrch protíná jiné objekty.

MýtusStačí přiřadit displacement mapu do materiálu a detail se objeví.

Ve skutečnostiDisplacement potřebuje dost vrcholů, které může posouvat. Bez subdivize sítě nebo tesselace se na modelu se čtyřmi vrcholy neprojeví prakticky nic.

MýtusNa displacement mapu stačí obyčejné 8bitové PNG jako na diffuse texturu.

Ve skutečnosti8 bitů dává jen 256 úrovní výšky a na plynulých površích, hlavně na terénu, z toho vzniká viditelné schodovité terasování. Pro displacement se používá 16bitový nebo plovoucí formát, typicky EXR nebo 16bit PNG či TIFF.

Časté dotazy

Jaký formát a bitovou hloubku zvolit pro displacement mapu?

Pro displacement mapu se doporučuje minimálně 16 bitů na kanál, ideálně 32bitový float. Praktické volby jsou EXR pro plovoucí čísla a 16bitové PNG nebo TIFF pro celočíselné hodnoty. Osmibitový formát nabízí jen 256 úrovní výšky, což na velkých plynulých plochách vytváří viditelné schody. U vector displacement je vyšší hloubka nutná vždy, protože se ukládá celý vektor posunu ve třech kanálech a chyba se projeví ve všech osách současně.

Kdy použít displacement mapu místo normálové mapy?

Displacement mapa se vyplatí tam, kde je detail dostatečně velký na to, aby byl vidět na obrysu objektu nebo aby měl vrhat stín sám na sebe: hluboké spáry dlažby, kamenná zeď zblízka, terén, vlny na vodě. Pro jemnou strukturu, jako jsou póry kůže, škrábance nebo tkanina, stačí normálová mapa, protože rozdíl na siluetě je nepostřehnutelný a náklad na geometrii by byl neúměrný.

Proč se v displacement mapě objevují trhliny na švech UV?

Trhliny vznikají tehdy, když sousedící vrcholy patří ke dvěma různým UV ostrovům a každý načte z textury mírně jinou hodnotu výšky. Posun je pak různý a plocha se rozevře. Řešením je zajistit shodné hodnoty na hranách švů, například bakingem s dostatečným paddingem, srovnáním hodnot na okrajích ostrovů, použitím bezešvého procedurálního zdroje nebo mapováním, které švy vede přes místa se stejnou výškou.

Zpomaluje displacement mapa render výrazně?

Displacement mapa zatěžuje především paměť a čas přípravy geometrie, ne samotné texturování. Adaptivní subdivize v offline rendererech dokáže vytvořit miliony mikropolygonů na jeden objekt, což mnohonásobně zvedne paměťovou stopu. V realtime enginu je limitem propustnost tesselační jednotky a počet vzorků textury ve vertex fázi. Náklad se dá držet na uzdě omezením displacementu na blízké objekty a použitím normálové mapy pro vzdálenější úrovně detailu.

Zdroje

1. Displacement mapping(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. Blender Manual(otevře se v novém okně)Blender Foundation
3. OpenGL Registry(otevře se v novém okně)Khronos Group
4. Bump mapping(otevře se v novém okně)Wikipedia

Související pojmy

• 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.
• Baking texturBaking textur je proces, při kterém se výsledek náročného výpočtu (osvětlení, stínů, detailu vysokopolygonového modelu nebo procedurálního materiálu) předpočítá a uloží do rastrové textury namapované přes UV souřadnice modelu. Za běhu aplikace se pak místo opakovaného výpočtu jen čte hotová hodnota z obrázku, což výrazně šetří výkon.
• Bump mapaBump mapa je šedotónová textura, která pro každý bod povrchu udává relativní výšku a slouží k výpočtu vychýlených normál při stínování. Geometrie modelu se nemění, mění se jen směr, kterým povrch odráží světlo, takže hladký polygon vypadá zvrásněně: cihlová spára, kůže, tepaný kov nebo výbrus dřeva.
• SubdivizeSubdivize je technika 3D modelování, při které se hrubá polygonální síť opakovaně dělí na menší plochy podle pevného schématu a její vrcholy se zprůměrují, takže hranatý model konverguje k hladkému povrchu. Modelář pracuje s několika desítkami polygonů, zatímco renderer zobrazí povrch s tisíci mikroploškami.
• SculptingSculpting je způsob tvorby 3D modelu, při kterém umělec deformuje hustou síť polygonů štětci podobnými hlíně: tahem přidává hmotu, ubírá ji, uhlazuje nebo vyrývá detail. Místo ruční práce s jednotlivými vrcholy a hranami pracuje s tvarem jako celkem, což se hodí pro organické objekty, postavy a tvory.
• 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.