Texturas - AREA DE SERVICIOS

Texturas
Dpto. de Informática
Fac. Cs. Físico-Mat. y Nat.
Universidad Nacional De San Luis
Argentina
Simulación de la Apariencia - Texturas
Superficies con detalle
Embellecimiento de las Superficies
• Procesamieno de Texturas (cada vez más en hardware).
– pegar o pintar una textura sobre una superficie para proveer detalle a la misma,
(ej. patrones de ladrillos, cielo con nubes, etc.).
– pensar en una textura como un papel envolvente pero hecho de goma.
– mapear una textura o arreglo de patrones de pixels
sobre una superficie para reemplazar (o modificar)
el color original.
• Es la estrategia que da sustento a los simuladores
de vuelo (ej., tierra, árboles) y juegos (paredes).
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Tipos de Texturas
Dimensiones
- 2D • Utiliza un mapa de pixels como referencia.
• Debe decidir cómo “pegar” el pixmap sobre el objeto.
• Es equivalente a pintar sobre la superficie del objeto.
- 3D • Presume que un valor de textura existe en cualquier
lado en el dominio del objeto.
• Debe decidir que color debe ir sobre la superficie del
objeto.
• Es equivalente es esculpir o grabar un objeto desde
un bloque sólido de material.
• Utiliza técnicas procedurales.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Texturas 2D
• Las texturas de los objetos reales usualmente exhiben modulación de color y superficie.
• La mayoría de los métodos modulan el color de una superficie usando motivos repetitivos o
imágenes de fotogramas grabados.
Efectos Visuales:
• Mapping de texturas No Paramétricas
– El tamaño de la textura y su orientación
son fijas.
– No se relacionan con el tamaño y orientación
del polígono.
– Generan un efecto de cortador de galleta.
• Mapping de texturas Paramétricas
– Separa el “espacio de la textura” y el
“espacio de la pantalla”.
– Deforma el polígono texturado en el
espacio de pantalla.
– Da textura al polígono en el espacio de
la textura.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Texturas Paramétricas
Una textura es cualquier característica evaluada sobre un punto usando sólamente la
información local del punto.
• El proceso total va desde el dominio de la textura hasta el dominio de la pantalla.
• Éste puede ser descripto por dos transformaciones:
– Parametrización de la superficie: toma el patrón de textura 2D y lo “pega” sobre el objeto.
– Proyección: mapping estandar del objeto a la pantalla.
• Problemas:
– Se debe inventar una parametrización adaptable (los objetos estándares son objetos de mallas
poligonales).
– Anti-aliasing.
Espacio
de Textura
T (u ,v)
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Parametrización
de la superficie
Espacio
de Objeto
( xw , yw , zw )
Proyección
Espacio
de Pantalla
xs , y s
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Texturas Paramétricas
Consideraciones
• Qué atributos o parámetros del modelo u objeto deben ser modulados para producir el
efecto de textura deseado?
– El detalle se encuentra en los parámetros modulados.
– Qué clase de parámetros?
* Color de la Superficie (colores ambiental, difuso y especular).
* Exponente Especular.
* Transparencia, Refracción (ej., nubes, vidrio grabado).
* Perturbación del vector Normal (“chichones”).
* Luces proyectadas y sombras. Reflexión especular y difusa (Mapping Ambiental).
* Datos a visualizar (ej., temperatura, stress, elevación).
• Cómo debe realizarse el mapping de la textura? Dado que una textura está definida en un
dominio de la textura y un objeto existe como dato en el espacio del mundo, es necesario
definir un mapping entre estos dominios.
• El mapping de la textura requiere tratamiento especial anti-aliasing debido a que tiende a
producir peores efectos de aliasing que otras técnicas asociadas con la síntesis de imágenes.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Textura
Motivación
• Porqué es necesario mapear una textura?
– es necesario lograr detalle en las superficies de los modelos con el objetivo de que parezcan mas
complejos.
– es necesario disminuir los efectos de “plastico brillante” producidos por el modelo de reflexión de
Phong.
• Solución Costosa: agregar mayor detalle al modelo
+
–
–
–
–
detalle incorporado como parte del modelo.
las herramientas de modelado no son buenas para el agregado de detalle.
el acto de modelar requiere mayor tiempo.
el modelo requiere mayor espacio de memoria.
el detalle complejo no puede ser reusado en otros objetos.
• Solución Eficiente: mapear una “textura” sobre el modelo
+ los mappings de textura pueden ser reusados por otros modelos.
+ Los mappings de textura usan espacio extra de memoria, pero pueden ser compartidos, y se
pueden utilizar técnicas de reducción de overhead (compresión, caching).
+ Los mappings pueden realizarse rápidamente.
+ La creación y colocación de los mappings puede hacerse en forma intuitiva
(ej., existen herramientas para ajustar los mappings, para pintar directamente sobre el objeto).
– Los mappings de textura no afectan directamente la geometría del objeto.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Textura
Mappings
• Una función es un mapping:
– Las funciones mapean valores de un subconjunto de dominio a otro subconjunto de un co-dominio
(llamado rango).
– Cada valor en el dominio será mapeado a un valor en el co-dominio.
• Se puede transformar un espacio en otro por medio de una función
– Para intersecar rayos se utiliza una transformación lineal que mueve puntos y vectores entre
espacios necesarios.
– Primero se mapea los puntos del espacio de pantalla a puntos del espacio de cámara normalizado.
– Luego, se mapea los rayos del espacio de cámara normalizado a rayos del mundo no normalizado.
– Finalmente, se mapea rayos del mundo no normalizado a rayos del espacio de los objetos no
transformados de manera que se pueda computar los puntos de intersección en el espacio de los
objetos.
• Tenemos puntos sobre una superficie en el espacio del objeto (el dominio).
• Es necesario conseguir valores de un mapa de textura (el co-dominio).
• Es necesario utilizar un mapping inverso.
• Qué función/nes se debe utilizar?
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Texturas 2D
Definición
•
•
•
El mapping de textura es el proceso de mapear un punto geométrico a un color en un mapa
de textura.
Lo deseado es poder mapear cualquier geometría en cualquier pixmap de dimensión
arbitraria.
Se considera que:
– una textura vive en su propio sistema de coordenadas de imagen
abstracto parametrizado por (u,v) en el rango([0..1], [0..1]):
–
éste puede ser enrollado alrededor de
diferentes superficies paramétricas:
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de texturas 2D
Idea Básica
•
Hacer en dos pasos:
– Mapear un punto sobre una geometría arbitraria a un punto de un cuadrado unitario
abstracto representando un pixmap concreto.
– Mapear el punto sobre el cuadrado unitario abstracto a un punto sobre un pixmap
concreto de dimension arbitraria (foto digitalizada, clip art o una imagen
computarizada previamente con alguna herramienta).
•
El segundo paso es fácil;
nos concentramos
en el primero.
Dominio Continuo
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Dominio Discreto
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de texturas 2D
Ejemplos de pixmaps
vtex
htex
foto
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wtex
u tex
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de texturas 2D
Ejemplos de pixmaps
v
tex
htex
Pixmap procedural
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wtex
u tex
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de texturas 2D
Paso 2: De un cuadrado unitario a un pixmap
• Un ejemplo 2D: mapping desde un cuadrado unitario u,v a un mapa de texturav
1.0, 1.0
100, 100
plano de
textura
unitario
0, 0
0.0, 0.0
mapa de textura
(un pixmap arbitrario)
u
• Paso 1: transformar un punto sobre un plano de textura continuo abstracto a un punto en un
mapa de textura discreto.
• Paso 2: obtener el color en la imagen de textura del punto transformado.
• En el ejemplo de arriba:
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(0.0, 0.0) => (0, 0)
(1.0, 1.0) => (100, 100)
(0.5, 0.5) => (50, 50)
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de texturas 2D
• En general, para un punto (u, v) sobre un plano unitario, el correspondiente punto en el
espacio de la imagen es
(u pix-map width, v pix-map height)
Plano unitario con todos los puntos mapeados en la textura
• Pero, existen infinitos puntos en el plano unitario....
de modo que se generan errores de muestreo; el plano uv es la versión continua del pixmap
que sirve como mapa de textura.
• El cuadrado unitario uv actua como una hoja de goma que
se estira y envuelve al objeto a ser texturizado
– el mapping uv es la clave, no importa el pixmap usado
– los pixels indexados pueden ser transitorios
(una película que se esta observando en una pared dentro
de la escena)
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de texturas 2D
Paso 1: Mapping de un punto 3D - Raytracing de Texturas
• Usando el disparo de un rayo se obtiene un punto en el espacio del objeto, (x, y, z).
• En el mapping de textura, el objetivo es ir desde el punto (x, y, z), a un color.
• Ya conocemos como mapear un punto 2D (u, v) en el cuadrado unitario a un color en el
pixmap; por consiguiente solo se necesita mapear (x, y, z) a (u, v).
• Consideremos tres casos canónicos:
– planos
– cilindros
– esferas
• Nota: es fácil calcular la proyección desde (x, y, z) a (u, v) a partir del espacio del objeto no
transformado.
– es mucho más fácil proyectar desde la definición de un objeto simple en el espacio del
objeto (x, y, z) al espacio de textura (u, v).
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Textura para Planos
Un plano unitario
• Las coordenadas de textura están asociadas con cada esquina en el plano.
h
w
vtex
utex
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Textura para Cilindros
Mapping de un círculo
• Convertir un punto P en el perímetro a un ángulo:
• El radio del círculo no es necesariamente de longitud unitaria
– Es necesario utilizar la arcotangente antes que el seno o el coseno (la arcotangente solamente
considera la división de las longitudes) de Pz /Px
• La función estándard atan2 genera el círculo entero
(valores entre to , mientras que atan retorna solamente la mitad del círculo)
– Se debe ir alrededor del círculo en la dirección en que la imagen será mapeada, atan2 retorna los
ángulos en el rango 0 to , luego cambia abruptamente a y retorna a 0
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Textura para Cilindros
Mapping de textura para cilindros y conos
• Imaginar un cilindro estándar o cono como una pila de círculos
– utilizar la posición del punto en el perímetro circular para determinar u.
– utilizar la altura del punto en la pila para determinar v.
– mapear las tapas superior e inferior en forma separada como si fueran planos.
• La parte fácil: calcular v.
– La altura de un punto en el espacio del objeto, en el rango [-.5, .5], es mapeado a v en el rango [0, 1].
• Calcular u: mapear puntos en un perímetro circular a valores de u entre 0 y 1;
0 radiantes es 0, radiantes es 1.
• Luego u = /
• Éstos mappings son arbitrarios: cualquier función que mapea los ángulos alrededor de un
cilindro ) en un rango de 0 a 1 puede funcionar!.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Textura para Esferas
• Imaginar una esfera como una
pila de círculos de radio variante
r
•
• P es el punto en la superficie de la esfera unitaria
• Definir v
Py
π
π
− ≤φ , r  radius
φ=sin -1
2
2
r
 
φ
ν = 0 . 5
π
• Definir u
– calcular u como para el cilindro (utilizar el mismo mapping para el cono).
– si v=0 o 1, existe unicidad y u debería tener un valor específico (ej., u = 0.5).
– es difícil encontrar estos casos cuando se trabaja con precisión de punto flotante.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Cómo pegar un patrón de textura sobre un objeto de malla de polígonos?
• El mapping de textura de una primitiva geométrica simple es fácil.
– cómo hacer un mapeo de textura sobre formas más complejas?
• Los objetos de mallas poligonales son aproximaciones discontinuas de un objeto real.
• La parametrización de superficies de este tipo no está definida.
• Supongamos que tenemos una forma compleja “simple” : una casa.
• Cómo deberíamos mapear su textura?
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
• Es necesario decidir como pegar el pixmap en el objeto.
• Se podría texturizar polígono por polígono en cada cara de la casa (simple, pues son planos).
• Sin embargo, causa discontinuidades en los bordes de los polígonos.
– Es necesario una textura sin discontinuidades en los bordes.
• Enfoque intuitivo: reducir a un problema ya resuelto. Utilizando una superficie intermedia
sobre la cual la textura es inicialmente proyectada.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Mapping de textura a un casa con una esfera
• Enfoque intuitivo: colocar una esfera envolvente alrededor del objeto complejo.
• El proceso de texturado tiene 2 etapas: encontrar el punto de intersección del rayo en el
espacio del objeto y convertirlo a coordenadas uv.
• Los cálculos de intersección con la esfera es esfuerzo extra.
Si se esta en una etapa de mapeo de textura, significa que ya se ha encontrado el punto de
intersección con la forma compleja.
• Queda mapear la superficie 3D intermedia sobre la superficie del objeto.
• Se pueden intentar cuatro mappings posibles:
1. La intersección del rayo de visualización reflejado en (x,y,z) con la superficie intermedia T´
(mapping del medio ambiente).
2. La intersección de la normal de la superficie en (x,y,z) con T´.
3. La intersección de la línea que va desde el centroide a T´ a través de (x,y,z).
4. La intersección de una línea desde (x,y,z) a T´ cuya orientación está dada por la normal de la
superficie en la superficie intermedia.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Mapping de textura a un casa con una esfera
• Cuatro mappings posibles a utilizar:
1. La intersección del rayo de visualización reflejado en (x,y,z) con la superficie intermedia T´
(mapping del medio ambiente).
2. La intersección de la normal de la superficie en (x,y,z) con T´.
(1) Rayo Reflejado
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(2) Normal del objeto
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Mapping de textura a un casa con una esfera
• Cuatro mappings posibles a utilizar:
3. La intersección de una línea que va desde el centroide a T´ a través de (x,y,z) .
4. La intersección de una línea desde (x,y,z) hacia T´ cuya orientación está dada por la normal de la
superficie en la superficie intermedia.
(3) Centroide del objeto
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(4) Normal de la superficie intermedia
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Mapping de textura a un casa con una esfera
• Simplificar suponiendo encontrar la intersección de la esfera, en lugar de la casa.
Luego convertirlo fácilmente a las coordenadas uv.
Paso 1: intersectar
el rayo con la esfera
envolvente
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Paso 2:calcular las coordenadas uv
del punto de intersección
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
• Enfoque no intuitivo: tratar cada punto sobre el objeto complejo como un punto de la esfera,
y proyectar utilizando mapping uv esférico
• Primero, calcular el punto de intersección en el
espacio del objeto con el objeto geométrico (casa).
• Luego, utilizar el punto de intersección en el espacio
del objeto para calcular las coordenades uv de la
esfera en el punto utilizando proyección esférica.
• Observar que una esfera tiene radio constante, y no así la casa. La distancia desde el centro
de la casa al punto de intersección (radio) cambia según donde se encuentre el punto.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
• Cómo decidir cuál es el radio que se debe utilizar para la esfera en el mapping uv? Las
intersecciones con la casa suceden a diferentes radios.
• Respuesta: el mapping esférico de (x,y,z) a (u,v) presentado era en función del radio, pero no
asume que la esfera tiene radio unitario.
• Se debe utilizar siempre una esfera con su centro en el centro del modelo (casa) y con un
radio igual a la distancia desde el centro al punto de intersección actual.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Selección de funciones de aproximación
• Se utilizó un mapping uv esférico para simplificar el proceso.
Sin embargo, cualquier técnica de mapping puede ser utilizada.
• Cada tipo de proyección uv tiene sus propios inconvenientes
– esférica: deformación en los polos de la esfera
– cilíndrica: discontinuidades en los bordes de las tapas
– planar: la componente y es ignorada en el mapping uv
Esfera mapeada
con proyección
esférica
Esfera mapeada
con proyección
planar
• El intercambio de técnicas de proyección uv permite que los inconvenientes de una puedan
ser reducidos con otra. El usuario debe decidir cual le resulta mas favorable.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Ejemplos
• Plano como superficie intermedia.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Ejemplos
• Cilindro como superficie intermedia.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Ejemplos
• Esfera como superficie intermedia.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Geometrías Complejas
Ejemplos
• Diferentes superficies intermedias.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Consideraciones
Transformaciones
• El mapa de textura debe ser transformado junto con el objeto en el espacio del mundo.
– ej., si la textura mapeada de una esfera es escalada 2.0 en y, luego el mapa de textura se debe
estirar en un factor de 2.0 en y también.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Consideraciones
Aliasing
• La parte computacionalmente difícil es cubrir grandes áreas de muestras con pocos pixels:
• Varios métodos:
– Fuerza bruta (simplemente sumar).
– Mip maps
– Summed Area Tables
Mip Maps
con aliasing
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sin aliasing
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Texturas 3D
•
•
•
La textura 3D es obtenida por medio de generación procedural.
Las coordenadas en el espacio del objeto son utilizadas para indexar un procedimiento que
define el ámbito de textura 3D del punto.
Los objetos reciben una textura en sus superficies en un manera “coherente”.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Texturas 3D
Ejemplos
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping del Medio Ambiente
• Se refiere al proceso de reflejar en un objeto brillante el medio ambiente circundante.
• Diferente del mapping de textura “normal”.
• El patrón observado en el objeto es función del vector de visualización. A medida que el
objeto se mueve, la superficie cambia.
• Trabaja muy bien con un único objeto.
• Se puede implementar en hardware con algunas modificaciones.
• El trazador de rayos se puede extender para manejar refracciones también.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapeo del Medio Ambiente
•
•
•
•
•
Suponer una caja imaginaria que circunda el objeto en cuestión.
Fácil de de producir con un pipeline de rendering.
Posible de producir con fotografías.
Resolución “Uniform”.
Cálculo simple de las coordenadas
de textura.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapeo del Medio Ambiente
•
•
•
•
•
Fotografía de una bola reflectiva.
Reflexión indexada por la normal.
Mapea el campo de visión total a un círculo.
La resolución depende de la orientación, máxima si es frontal.
Similar a una cámara con lente de pescado.
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Bultos/granos
• Realizar el texturizado de un objeto cuya textura es tosca, nunca se ve bien; la iluminación
siempre sale mal.
• Un truco: utilizar un arreglo de valores que perturben las normales de la superficie (calcular
el gradiente entre los valores y sumarlos a la normal).
• Luego evaluar la ecuación de iluminación con las normales perturbadas.
• El efecto a lo largo de la superficie es convincente,
pero los bordes de la silueta aparecen perturbados.
• Ejemplo: una frutilla:
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Bultos/granos
f(u,v)
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Bultos/granos
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Bultos/granos
El papel de estaño en la obra “El beso” de Hershey se ve muy sintético…
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Simulación de la Apariencia - Texturas
Mapping de Bultos/granos
Objeto
Objetosin
sinBump
Bumpmapping
mapping
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La textura de bultos codifica
normales o desviaciones de
la normal
Objeto con Bump mapping
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Simulación de la Apariencia - Texturas
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