Computação Gráfica 5385: Licenciatura em Engenharia Informática. Chap. 10 Texturas. Texturas

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1 Computação Gráfica 5385: Licenciatura em Engenharia Informática Chap. 10 Texturas Texturas

2 Sumário : Objectivos Noção de textura Motivação Mapeamento de textura, padrões de textura e texels Mapeamento de texturas em polígonos, interpolação de texturas Modos de aplicação de texturas Mapeamento de texturas em objectos geométricos

3 Objectivos Introduzir métodos de mapeamento: Mapeamento de textura (texture mapping) Mapeamento ambiental (environmental mapping) Mapeamento rugoso (bump mapping) Mapeamento de luz (light mapping) Não serão ensinados! Considera-se duas estratégias básicas: Especificação manual de coordenadas Mapeamento automático em duas fases Não será ensinado!

4 Noção de textura Definição: É uma imagem com componentes RGB e alpha. Mapeamento de textura: É um método para criar complexidade numa imagem sem o ónus de construir grandes modelos geométricos.

5 Motivação I: aumentar realismo Contexto: A coloração interpolada de Gouraud/Phong parecem ter uma aparência um pouco plástica. Texturização: Os efeitos de textura podem ser adicionados para dar uma aparência mais realística à superfície. Técnicas de texturização: Mapeamento de textura (texture mapping) Utiliza um padrão que é colocado na superfície dum objecto. Mapeamento de luz (light maps) Light maps combinam textura e luz através de um processo de modulação Mapeamento de rugosidade (bump mapping) A superfície suave é distorcida para obter o efeito rugoso na superfície Mapeamento ambiental É mapeamento de reflexão que permite resultados semelhantes ao ray tracing texture map light map bump map reflection map

6 Motivação I: aumentar detalhe à superfície A solução óbvia não é a melhor: Dividir uma cena em polígonos cada vez mais pequenos aumenta o detalhe Mas é muito difícil de modelar e muito oneroso de renderizar em termos de tempo A solução preferida é usar mapeamento de textura: Tipicamente uma imagem 2D decalcada em objectos 1 Exemplos: Modelo de t-shirt com logo 1 não há necessidade de modelar as letras nem nenhum processamento de triângulos usa-se um polígono de dimensões grandes 2 2 colora-se o polígono com uma foto Iluminação súbtil da parede 3 não há necessidade de calculá-la em cada frame não há necessidade de modelá-la com vários triângulos de cor constante decalca-se a foto num polígono grande Também funciona em superfícies não complanares divide-se a superfície em partes 3 4 atribui-se uma região fotográfica a cada parte da superfície Exemplos de modulação de cor, rugosidade, brilho, e transparência com a mesma geometria esférica 4

7 Texturas e Realismo Em que ponto, os objectos e a cena começam a parecer reais? Superfícies de objectos do mundo selvagem são muito complexas. Não se pode modelar as variações mais subtis. Precisamos de encontrar formas de adicionar detalhe à superfície. Como? modelo geométrico modelo geométrico + coloração modelo geométrico + coloração + texturas

8 Mapeamento de textura, padrão de textura e texels História: Desenvolvido por Catmull (1974), Blinn e Newell (1976), e outros investigadore. Mapeamento de textura: Adiciona detalhe à superfície através de mapeamento de padrões de texturas sobre a superfície. Padrão de textura: Padrão é repetido. Por exemplo, o padrão de textura para o cubo ao lado é Texel: (abreviatura para texture element ) Um texel é um pixel da textura. Por exemplo, uma textura de resolução 128x128 tem 128x128 texels. No ecrâ, isto pode resultar em mais ou menos pixels, o que dependerá da distância a que o objecto se encontra na cena, ou seja, de como a textura é escalada para a superfície.

9 TÉCNICAS DE MAPEAMENTO Mapeamento de Texturas (texture mapping) Mapeamento Ambiental (environment mapping) Mapeamento de Rugosidade (bump mapping) Mapeamento de Luz (light mapping)

10 Mapeamento (manual) de textura Questão I: Que ponto da textura se usa para um dado ponto da superfície? Questão II: E no caso de se mapear a textura num polígono? Resposta I: A textura é simplesmente uma imagem com um sistema de coordenadas 2D (s,t) Parameteriza-se pontos da textura com coordenadas: (s,t) Define-se o mapeamento de (x,y,z) no domínio da cena para o domínio da textura (s,t). Para determinar a cor em (x,y,z) usa-se o correspondente (s,t) para determinar a cor da textura nesse ponto. Resposta II: Especifica-se (s,t) nos vértices Interpola-se (s,t) para os pontos intermédios entre os vértices e no interior do polígono. t s

11 Mapeamento automático de uma textura numa superfície Questão I: O problema básico está em encontrar a função (mapping) que mapeia a textura para a superfície? Ou seja: Dada uma posição (s,t) da textura, qual é a posição (x,y,z) na superfície? Formulação do problema: Este problema requer 3 funções paramétricas: x = X(s, t) (x,y,z) y = Y(s, t) t z = Z(s, t) No caso de a superfície já estar formulada parametricamente, então temos outros sistemas de coordenadas envolvidos: o da imagem (s,t) e o da própria superfície (u,v) s v u t (s,t) = (u,v) s

12 Como se define as coordenadas paramétricas (u,v)? n Manualmente: Atribui-se as coordenadas da textura a cada vértice da superfície n Automaticamente: Usa-se um algoritmo que atribui as coordenadas da textura

13 Especificação manual de coordenadas (1,1) (1,1) + = (0,0) (0,0) texture 2D polygon textured polygon (1,1) (1,0.5) + = (0,0) (0,0) texture 2D polygon textured polygon

14 Mapeamento de texturas em polígonos Procedimento: Especificamos explicitamente as coordenadas (u,v) nos vértices do polígono: gltexcoord2f(0.5, 0.5); glvertex3fv (10.2,3.4,4.5); Ou seja, afixamos a textura nos vértices Faz-se então a interpolação dentro do triângulo na altura da rasterização (scan conversion) no domínio de ecrã. v u

15 Interpolação de texturas (x 3, y 3 ), (u 3, v 3 ) Como é feita?: A interpolação é feita durante a fase de scan conversion, à semelhança do que é feito na coloração de Gouraud Mas e vez de interpolar os valores RGB, obtemos os valores (u,v) que permitem aceder à correspondente cor na textura. Isto é, o mapeamento da textura é feito no domínio canónico do ecrã quando o polígono é rasterizado No entanto, quando se descreve uma cena, assume-se muitas vezes que o mapeamento é feito no domínio da cena. (x 2, y 2 ), (u 2, v 2 ) (x 1, y 1 ), (u 1, v 1 )

16 Rasterização: modos de aplicação de texturas Após saber os valores de uma textura, podemos usá-los para modificar um ou mais atributos de um polígono/superfície através das chamadas funções de mistura (combine functions ou texture blending operations): Funções de mistura : replace: substitui cor da superfície pela cor da textura decal: substitui cor da superfície pela cor da textura, misturando então a cor com o valor alpha da textura, ainda que a componente alpha não seja modificado no framebuffer modulate: multiplica a cor da superfície pela cor da textura (shaded + textured surface). Precisa-se disto para a multitexturização (i.e., lightmaps). blend: semelhante à modulação mas com mistura alpha Textura Polígono Textura Mapeada operação REPLACE Textura Polígono Textura Mapeada operação MODULATE

17 Questões relevantes em mapeamento de texturas n O que acontece quando se faz zoom aumentativo e zoom diminuitivo? n Como geramos as coordenadas de texturas? n O que acontece quando usamos coordenadas de textura menores do que 0 e maiores do que 1? n Será que as aplicações (maps) de textura só servem para colorir objectos?

18 Aplicação de uma textura numa superfície Como se faz?: A aplicação de uma textura numa superfície tem lugar durante a renderização. É semelhante ao método de Gouraud: Triângulo rasterizado Cada pixel do triângulo é mapeado de volta à textura Usa-se valores conhecidos nos vértices para interpolar sobre a textura Cada pixel está associado a uma pequena região da superfície e a uma pequena área da textura. Há 3 possibilidades de associação: 1. um texel a um pixel (raramente) 2. magnificação: um texel a muitos pixels 3. minificação: muitos texels a um pixel Magnificação Minificação

19 Aplicação de uma textura numa superfície (cont.): zoom in: filtro de magnificação Um pixel é mapeado para uma pequena porção de um texel O resultado é que muitos pixels são mapeados para o mesmo texel Sem um método de filtragem surge o fenómeno de aliasing Filtro de magnificação: suaviza a transição entre pixels Magnificação muitos pixels correspondem a um texel à blockiness / jaggies / aliasing solução: aplicar média (magnification filter)

20 Aplicação de uma textura numa superfície: zoom out: filtro de minificação Um pixel é mapeado para muitos texels É comum em perspectiva (foreshortening) Minificação Perspectiva (foreshortening) e mapeamento pobre de textura provoca a deformação visual do pavimento Mipmaps melhoram o mapeamento, restaurando a forma do pavimento

21 Aplicação de uma textura numa superfície: melhor filtro de minificação: Mipmaps mip significa multum in parvo, ou muitas coisas num pequeno lugar Ideia básica: criar muitas texturas de tamanho decrescente e usar uma delas quando for apropriado Texturas pré-filtradas = mipmaps

22 Aplicação de uma textura numa superfície: Mipmaps: otimização de armazenamento É obrigatório fornecer todos os tamanhos da textura em potências de 2 em relação à original em 1x1

23 Sumário: filtragem Zoom-in requer a utilização dum filtro de magnificação Zoom-out requer a utilização dum filtro de minificação Filtros mais avançados requerem mais tempo/computação, mas produzem melhores resultados Mipmapping é um filtro de minificação avançado Precaução: mipmapping sem pré-definir mipmaps desligará (turn off) a texturização (veja-se Filtering in OpenGL)

24 Modos de tesselação (wrapping modes) (3, 0) (3, 3) Ideia básica: Atribuir coordenadas de texturas fora da gama [0,1], repetindo (repeat) ou retendo (clamp) então a aplicação da textura. Modos de tesselação: REPEAT: repete a textura inteira sucessivamente ao longo de duas direções ortogonais. MIRROR: o mesmo que REPEAT, mas com reflexão relativamente a cada direção. CLAMP TO EDGE: repete os pixéis de fronteira da textura ao longo de cada direção. CLAMP TO BORDER: rodeia a cor da fronteira. (0, 0) (3, 0) REPEAT MIRROR CLAMP TO EDGE CLAMP TO BORDER courtesy of Microsoft

25 Tesselação repetitiva sem costuras Uma textura pode ser tesselada repetidamente sobre uma superfície através da repetição da parametrização (s,t) sobre aquela superfície. Mas, os melhores resultados são obtidos quando a textura é tesselada sem costuras. Isto significa que existe continuidade perfeita entre o lado direito (superior) duma tessela e o lado esquerdo (inferior) da próxima tessela, não se notando qualquer descontinuidade ou costura. As costuras surgem na maior parte das tesselações de texturas. Mas, é possível editar e re-sintetizar uma tesselação de texturas de molde a parecer perfeita e sem costuras (o que é um outro tópico em si mesmo).

26 TEXTURAS EM OpenGL Texture Mapping Transferir a textura para a memória de vídeo Configurar os parâmetros de texturização Activar a texturização Aplicar a textura à geometria

27 Texturização em OpenGL: 4 passos fundamentais 1. Cria textura e carrega-a em memória gráfica glteximage() Três métodos: Carrega-a a partir de uma imagem em ficheiro jpg, bmp,... Gera-a dentro do próprio programa gráfico em OpenGL Copia a imagem a partir de um buffer de cor 2. Define os parâmetros de aplicação da textura gltexparameter*() tesselação, filtragem, etc 3. Activa a texturização glenable(gl_texture_*d) 4. Atribui coordenadas da textura a vértices A função de mapeamento é da responsabilidade do programador gltexcoord*(s,t); glvertex*(x,y,z);

28 Passo 1: criação e transferência da textura para a memória gráfica Criação: Cria-se a textura como uma imagem ou array de texels (texture elements) na memória RAM do lado da CPU: Glubyte mytexture[width][height][3]; Cada valor RGB é especificado através de um unsigned byte, entre 0 e 255. Por exemplo, um azul puro será definido por (0,0,255). Transferência: Para isso, usa-se a função de OpenGL: void glteximage2d (target,level,components,w,h,border,format,type,texture); Parâmetros: target : type of texture, e.g. GL_TEXTURE_2D level : used for mipmapping = 0 (discussed later) components : elements per texel (for RGB) w, h : width and height of texture in pixels border : used for smoothing = 0 (don t worry about this) format : texel format e.g. GL_RGB type : rgb component format e.g. GL_UNSIGNED_BYTE texture : pointer to the texture array Exemplo: glteximage2d(gl_texture_2d, 0, 3, 512, 512, 0, GL_RGB, GL_UNSIGNED_BYTE, mytexture);

29 Passo 1 (em alternativa): criação aleatória da textura GLubyte texture[64][64][3]; int u, v; for(u=0; u<64; u++) { for(v=0; v<64; v++) { texture[u][v][0] = (GLubyte)(255 * rand()/rand_max); texture[u][v][1] = (GLubyte)(255 * rand()/rand_max); texture[u][v][2] = (GLubyte)(255 * rand()/rand_max); } }

30 Passo 2: especificação dos parâmetros da textura É feita através da função gltexparameter(), a qual determina o comportamento e a aparência das texturas quando são renderizadas. A OpenGL tem uma variedade de parâmetros que determinam como as texturas são aplicadas: Parâmetros de tesselação (wrapping parameters) determinam o que acontece quando s e t têm valores fora da gama [0,1] Modos de filtragem (filter modes) permitem-nos usar ponderação de área em vez de amostras de pontos. Mipmapping permite-nos usar textures com múltiplas resoluções. Note-se que cada textura tem as suas próprias propriedades; estas propriedades nõ são globais.

31 Passo 2 (cont.): gltexparameter()

32 Passo 2 (cont.): modos de tesselação (wrapping modes) n Clamping : if s,t > 1 use color at 1, if s,t < 0 use color at 0 gltexparameteri(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP); n Repeating : use s,t modulo 1 gltexparameteri(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT); t texture s Wrap S : GL_REPEAT Wrap T : GL_REPEAT Wrap S : GL_REPEAT Wrap T : GL_CLAMP Wrap S : GL_CLAMP Wrap T : GL_REPEAT Wrap S : GL_CLAMP Wrap T : GL_CLAMP

33 Passo 2 (cont.): modos de filtragem (filter modes) n Minification and magnification

34 Passo 2 (cont.): mipmapping

35 Passo 3: activar texturização Para ativar/desativar a texturização: glenable(gl_texture_2d) gldisable(gl_texture_2d); Qual é o efeito da texturização (texture mapping)? A cor atual de um pixel (após a iluminação/coloração) é multiplicada pela cor correspondente da textura. Ou seja, se um objecto tiver uma cor próxima da cor branca (0.8, 0.8, 0.8) nalgum ponto e a cor da textura nesse ponto for vermelha (1, 0, 0), então obtém-se a cor (0.8, 0, 0) após multiplicação daquelas.

36 Passo 4: aplicar a textura Como texturizar um quandrângulo? No código que se segue assume-se que a texturização foi ativada e que já existia uma textura carregada em memória gráfica com o id 13. glbindtexture (GL_TEXTURE_2D, 13); glbegin (GL_QUADS); gltexcoord2f (0.0, 0.0); glvertex3f (0.0, 0.0, 0.0); gltexcoord2f (1.0, 0.0); glvertex3f (10.0, 0.0, 0.0); gltexcoord2f (1.0, 1.0); glvertex3f (10.0, 10.0, 0.0); gltexcoord2f (0.0, 1.0); glvertex3f (0.0, 10.0, 0.0); glend (); (0.0f,1.0f) (1.0f,1.0f) texture coordinates (0.0f,0.0f) (1.0f,0.0f)

37 Texture mapping em OpenGL: sumário n Vimos como uma textura pode ser mapeada num objecto: No caso de de um polígono, afixamos a textura aos vértices e interpolamos (corretamente!) durante a rasterização (ou scan conversion). n O valor da textura num dado ponto é usado para modificar a cor que seria desenhada se não houvesse texturização: As opções incluem substituição completa da cor ou modulação (ou seja, multiplicação da cor produzida pela iluminação pela cor da textura)

38 Review Shading: Determine a color for each filled pixel. Scan conversion: Figuring out which pixels to turn on. Rendering an image of a geometric primitive by setting pixel colors. Example: Filling the inside of a triangle.

39 Sumário: : Objectivos Noção de textura Motivação Mapeamento de textura, padrões de textura e texels Mapeamento de texturas em polígonos, interpolação de texturas Modos de aplicação de texturas Mapeamento de texturas em objectos geométricos Texturas em OpenGL