Parallax Occlusion Mapping: Strahlverfolgung im Höhenfeld mit vorhersehbaren Grenzen

Die Oberfläche für die Strahlverfolgung festlegen

Parallax Occlusion Mapping lässt Oberflächendetails in unterschiedlicher Tiefe erscheinen, indem ein Sichtstrahl durch das Höhenfeld einer Textur verfolgt wird. Der Schnittpunkt bestimmt, welche Texturkoordinaten das sichtbare Material liefern. So lassen sich Bewegungsparallaxe und lokale Verdeckung erzeugen, ohne ein dichtes geometrisches Mesh hinzuzufügen. Die ursprüngliche Präsentation beschreibt eine Höhendarstellung im Tangentenraum und eine winkelabhängige Abtastung. [1]

Festzulegen ist, ob die Textur Höhe oder Tiefe codiert, welche Referenzebene und welchen physischen Massstab sie hat und wie die Texturkoordinaten ausgerichtet sind. Ein falsches Vorzeichen kann Vertiefungen in Erhebungen verwandeln oder Details in die falsche Richtung verschieben.

Einen Durchstosspunkt finden und verfeinern

Eine typische Implementierung bewegt den Strahl schrittweise durch Höhenschichten, bis er die dargestellte Oberfläche durchquert, und verfeinert anschliessend diesen Durchstosspunkt. Die Materialattribute werden an den so ermittelten Koordinaten abgetastet. Ein einzelner Versatz, der aus nur einem Höhenwert berechnet wird, kann nicht alle Verdeckungen entlang eines Strahls abbilden.

Grobe Schrittweiten können schmale Strukturen überspringen. Die Verfeinerung verbessert ein bereits erkanntes Intervall, kann einen schon übersprungenen ersten Schnittpunkt aber nicht zuverlässig wiederherstellen. Das Kapitel zum Relief Mapping erläutert diesen Unterschied und warum spezialisierte Space-Leaping-Verfahren zusätzliche Annahmen oder Daten benötigen. [2] Das Suchverfahren ist daher zusammen mit der Höhendarstellung zu wählen.

Durchgerechnetes Beispiel: Höhen- und UV-Einheiten konsistent halten

Angenommen sei ein ebenes Material mit einem Tiefenbereich von 0,02 Metern, das unter 45 Grad zu seiner Normalen betrachtet wird. Über das gesamte Tiefenintervall legt der Strahl parallel zur Ebene 0,02 Meter zurück, da der Tangens von 45 Grad 1 beträgt.

Umfasst eine Texturwiederholung in dieser Richtung 0,5 Meter, entspricht das gesamte Intervall der Strahlverfolgung 0,04 UV-Einheiten. Das ist die Ausdehnung des Intervalls, nicht der endgültige Versatz des Schnittpunkts: Wo der Strahl trifft, bestimmt das tatsächliche Höhenfeld. Wird die Texturwiederholung bei gleicher physischer Tiefe verdoppelt, muss die Umrechnung angepasst werden. Wird der alte UV-Massstab weiterverwendet, ändern sich die sichtbaren Proportionen des Reliefs unbemerkt.

Eine kontrollierte Validierungsszene aufbauen

Als Ausgangspunkt dient eine flache Kachel mit einer breiten Stufe und einem schmalen Grat. Diese frontal, schräg und nahe am Rand bei bewegter Kamera prüfen. Die per Strahlverfolgung ermittelten Koordinaten mit einer geometrischen Referenz vergleichen, die dasselbe Höhenprofil aufweist. Das Abtastbudget dort erhöhen, wo schräge Ansichten es erfordern, und sicherstellen, dass Qualitätswechsel keine sichtbaren Sprünge erzeugen. [1]

Höhen-, Normalen- und Farbeingaben räumlich deckungsgleich halten. Festlegen, wie Strahlen behandelt werden, die die Kachel verlassen. Schreibt die Implementierung eine verschobene Tiefe oder berechnet sie Selbstverschattung, sind diese Ausgaben separat gegen benachbarte Geometrie und den gewählten Beleuchtungspfad zu prüfen. [2]

Die Grenzen der Darstellung beachten

Einfache Strahlverfolgung im Höhenfeld auf bestehenden Polygonen erzeugt weder eine erweiterte geometrische Silhouette noch eine physische Kollisionsform. Überhänge lassen sich mit nur einem Höhenwert pro Texturposition nicht darstellen. Tiefes Relief, starke Krümmung und extrem flache Blickwinkel machen die Näherung sichtbar. Den Effekt auf Materialien beschränken, bei denen diese Einschränkungen vertretbar sind, und die Kosten der Texturzugriffe bei der vorgesehenen Bildschirmabdeckung messen.

Quellen

• [1] Practical Parallax Occlusion Mapping for Highly Detailed Surface Rendering — Natalya Tatarchuk, ATI Research, Präsentation im Rahmen eines SIGGRAPH-Kurses.
• [2] Relaxed Cone Stepping for Relief Mapping — Fabio Policarpo und Manuel M. Oliveira, GPU Gems 3.