Síntesis y visualización interactiva de texturas con relieve. Resumen. 5 de noviembre de 2003

Transcripción

1 Síntesis y visualización interactiva de texturas con relieve Resumen 5 de noviembre de 2003 utor: Ismael García Fernández Especialidad: ETIG Centro: EPS, UdG Director: Dr. Mateu Sbert Casasayas Departamento: IM Área: LSI Centro: EPS, UdG

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3 3 Introducción lo largo de los últimos años la tendencia en los entornos interactivos tridimensionales se dirige hacia el aumento incesante del realismo. ctualmente los avances en tecnologia han producido un incremento considerable de la velocidad de renderización 1 del hardware gráfico basado en polígonos. Y aunque es posible renderizar hasta 30 millones de polígonos por segundo, en la práctica, el hardware aún no permite la visualización interactiva de entornos fotorealistas en tiempo real 2. Los desarrolladores de entornos interactivos tridimensionales se ven obligados a simplificar la complejidad de los entornos tridimensionales para que el menor tiempo de procesamiento permita una visualización en tiempo real. Tales simplificaciones implican una gran pérdida de detalle y realismo del entorno a visualizar. Por tanto, el objetivo principal de los desarrolladores de entornos interactivos es obtener el mayor realismo posible con el mínimo coste en tiempo de procesamiento. La creación de imágenes tridimensionales en tiempo real (real-time rendering) es una de las áreas más activas de los gráficos por ordenador. Sus resultados son aplicables en multitud de campos como el diseño asistido por ordenador, simulaciones, mundos virtuales y videojuegos. Por ello, existen multitud de técnicas que intentan lograr el objetivo arriba mencionado. El mapeado de texturas (texture mapping) ha sido una de las técnicas de más éxito para obtener imágenes de gran realismo visual con bajo coste computacional. Se basa, principalmente, en añadir detalles 2D en las superficies de los objetos. El texture mapping convencional puede simular adecuadamente, por ejemplo, una pintura en una pared o la etiqueta de una lata de refresco. Desafortunadamente, el texture mapping no es un método efectivo para añadir detalles 3D a una superficie. Ésta es su fundamental limitación causando que el observador perciba los detalles de la superficie como si fuera plana, algo claramente no deseado. En este proyecto se realiza la implementación del mapeado de texturas con relieve (relief texture mapping), una extensión del texture mapping que permite la representación de los detalles tridimensionales en las superficies de los objetos de forma mucho más convincente y, por sobre todo, en tiempo real. El proyecto se centra en el desarrollo de dos sistemas (ilustrados en la figura 1: El Relief Texture Maker, una herramienta para la creación de las texturas con relieve. Esta herramienta, partiendo de un modelo poligonal, creará las texturas con relieve que reemplazarán al modelo poligonal en la posterior fase de visualización. El Relief Texture Viewer, una aplicación que permita la visualización interactiva de escenas tridimensionales que incluyen objetos compuestos a partir de texturas con relieve. En ella se implementarán varias técnicas de relief texture mapping. Fase preproceso Fase visualización interactiva Relief Texture Maker Relief Texture Viewer Modelo poligonal Textura con relieve Vista final Figura 1: Sistemas desarrollados en el proyecto. 1 El concepto renderizar (render) en campo de los gráficos por computador define el proceso de creación de imágenes sintéticas por ordenador. 2 El concepto tiempo real se aplica en el campo de los gráficos por computador para definir que el cálculo necesario para obtener imágenes tridimensionales debe realizarse en fracciones de segundo, es decir, a una velocidad muy alta para que permita la visualización de dichas imágenes de forma interactiva.

4 4 Mapeado de texturas con relieve Una textura con relieve (relief texture) es una textura que contiene información de profundidad que servirá para representar los detalles tridimensionales de la superficie. Una textura con relieve tiene asociadas siempre dos imágenes, un mapa de profundidad que contiene la información de profundidad de la textura, y un mapa de color del objeto que representará la textura. (Véase el ejemplo de textura con relieve de la figura 2.) El mapeado de texturas con relieve (relief texture mapping) es una técnica que mediante la transformación de unas imágenes con información de profundidad, las texturas con relieve, consigue representar las superficies de forma tridimensional con la posibilidad de generar vistas en perspectiva coherentes desde cualquier punto de vista arbitrario. Esto quiere decir que, utilizando el mapeado de texturas con relieve, podemos representar una superficie que mantendrá una apariencia tridimensional desde cualquier punto de vista en el que se sitúe el observador. En la fase de preproceso (figura 1), el Relief Texture Maker renderiza la geometría de un objeto tridimensional desde un número de puntos de vista utilizando proyecciones ortográficas, de esta forma se generan las texturas con relieve originales asociadas al objeto tridimensional. Valor de profundidad d=200 d=40 Figura 2: Esta imagen muestra un ejemplo de mapa de profundidad. Como puede verse codifica la distancia existente entre el plano en el que se situa el texel y la primera intersección con el objeto tridimensional en la perpendicular del plano. Figura 3: quí se muestra un ejemplo de las texturas con relieve creadas con el Relief Texture Maker para el modelo tridimensional beethoven. Cada textura con relieve esta formada por el mapa de color que representa al objeto y el mapa de profundidad que permite realizar las transformaciones del mapa de color durante el posterior proceso de visualización.

5 5 En la fase de visualización interactiva (figura 1), el Relief Texture Viewer renderiza las texturas con relieve aplicando el algoritmo de mapeado de texturas con relieve (relief texture mapping) que transforma las texturas con relieve, generadas con el Relief Texture Maker, para obtener una visualización interactiva de la superficie geométrica representada con apariencia tridimensional. Estas transformaciones crean una nueva textura con relieve mediante el desplazamiento de los texels de la textura con relieve original. Finalmente, la textura con relieve resultante es mapeada de forma tradicional sobre un polígono. De esta forma, en el momento que mapeamos la textura con relieve resultante en el polígono, obtenemos una representación de la superficie geométrica original, pero con apariencia tridimensional. En el esquema de la figura 5 se describen las fases que sigue el algoritmo del mapeado de texturas con relieve. Como puede observarse, tiene dos etapas principales: 1. Etapa de prewarp o de transformación de la textura con relieve. 2. Etapa del mapeado de la textura con relieve. La etapa crucial del algoritmo de mapeado de texturas con relieve (relief texture mapping) es la de transformación (prewarp). En esta etapa, los texels son desplazados a partir de la información de profundidad para conseguir representar la apariencia tridimensional de la superficie geométrica original (véase la figura 4). texel original (u s, v s ) texel destino (u?? i, v i ) PSfrag replacements ( u, v) Prewarp Figura 4: Proceso de prewarp de un texel. lgoritmo mapeado texturas con relieve Prewarp Pasada horizontal Pasada vertical Mapeado texturas (a) (b) (c) (d) Figura 5: quí se describe el algoritmo de relief texture mapping. La figura 5(a) muestra la textura con relieve original sin transformar. En la etapa de transformación (prewarp), se realiza la pasada horizontal para desplazar los texels a lo largo de las filas de la textura 5(b). Seguidamente, se aplica la pasada vertical 5(c) para desplazarlos en las columnas de la textura. Y finalmente, se mapea la textura con relieve resultante en el polígono 5(d). sumiendo que la pasada horizontal se realiza en primer lugar, los pasos del algoritmo de reconstrucción en 2 pasadas son ilustrados en la figura 6. La figura 6(a) muestra dos texels y B en sus posiciones después de la

6 6 transformación (prewarp). El primer texel de cada fila es movido a la columna final (figura 6(b)) y, así mismo, los texels subsecuentes son transformados, y el color y las coordenadas finales de fila son interpoladas durante la rasterización. (figura 6(c)). Nótese que los texels adyacentes son normalmente transformados hacia posiciones adyacentes y la situación mostrada en la figura 6(c) es utilizada para remarcar el esquema de interpolación. La transformación puede, de todas maneras, mapear texels adyacentes hacia posiciones relativamente distantes si éstos están en diferentes bandas en una discontinuidad de profundidad. El texel C está justo encima del B después de que todas las filas hayan sido transformadas (figura 6(d)). Durante la pasada vertical, los texels son movidos hasta sus coordenadas de fila final (figure 6(e)) y los colores son interpolados figura 6(f). B B B (a) (b) (c) C B C C (d) (e) B (f) B Figura 6: Proceso de prewarp de un texel. Resultados Los resultados obtenidos permiten representar superficies (figuras 7 y 9) y objetos tridimensionales (figura 8) manteninedo su apariencia tridimensional desde cualquier punto de vista en el que se situe el observador. Los resultados son correctos para observadores estáticos o en movimento. demás, el Relief Texture Viewer permite la visualización interactiva de estas superficies y objetos representados dentro de entornos completamente tridimensionales como en la figura 11. Figura 7: Comparativa: en la imagen de la izquierda aplicando la técnica tradicional de mapeado de texturas, y en la imagen de la derecha aplicando el mapeado de texturas con relieve. Como puede observarse en la imagen de la derecha, aplicando el mapeado de texturas con relieve, las esculturas del relieve tienen una mayor apariencia tridimensional.

7 7 Figura 8: Ejemplo de representación de un objeto tridimensional utilizando texturas con relieve. Las imágenes muestran diferentes puntos de vista del objeto beethoven, creados mediante la transformación (prewarp) de sus texturas con relieve asociadas. Figura 9: Ejemplo de representación de una superficie tridimensional utilizando una textura con relieve. Las imágenes muestran, desde un punto de vista arbitrario, la superficie geométrica formada por polígonos y la representación obtenida a partir de su textura con relieve asociada, formada únicamente con 2 polígonos. Como puede observarse, la textura con relieve tiene el mismo efecto de perspectiva, y la misma apariencia de tridimensionalidad, que la superficie geométrica original.

8 8 Conclusiones Desde el inicio del proyecto los objetivos del mismo eran claros y concisos: Para el desarrollo del Relief Texture Maker era necesario aprovechar la potencia de los actuales paquetes de modelado para proporcionar la habilidad de crear unas texturas con relieve con un nivel de calidad fotorealista, y de forma automatizada. Por ello se desarrolló utilizando el lenguaje de script MEL (Maya Embedded Language) que permite crear unos programas adicionales (plugins 3 ) para la automatización de tareas y extender la interfaz gráfica de Maya. (Véase la figura 10 que ilustra su la interfaz gráfica del Relief Texture Maker.) Figura 10: Pantalla que muestra los menús del Relief Texture Maker. Para el desarrollo del Relief Texture Viewer se tenia el objetivo de crear una herramienta multiplataforma que permitiese la visualización interactiva de entornos tridimensionales con algunos objetos compuestos por texturas con relieve. El desarrollo de éste, se ha realizado en el lenguaje de programación C++ por ser un lenguaje potente, portable y muy utilizado en el campo de los gráficos por ordenador. Figura 11: Ejemplo de entorno tridimensional visualizado en el Relief Texture Viewer. Las esculturas situadas en los laterales de la puerta que se visualiza en la escena, son superficies representadas mediante texturas con relieve. Como puede observarse, tienen una apariencia tridimensional y únicamente están definidas a partir de una textura con relieve aplicada en un único polígono. Partiendo de modelos tridimensionales en alta resolución, hemos logrado conseguir una visualización con una interactividad absoluta, en el Relief Texture Viewer, mediante la utilización de las texturas con relieve creadas con 3 Un plugin es un programa adicional que puede ser añadido a una aplicación, en nuestro caso el paquete de modelado Maya, para aumentar la funcionalidad de ésta. Este programa adicional es cargado y ejecutado por la aplicación principal.

9 9 el Relief Texture Maker de estos modelos geométricos compuestos por miles de polígonos, que de otra forma, serian difícilmente visualizables con interactividad dentro de un entorno tridimensional. Se ha convertido la síntesis y visualización de las texturas con relieve en un proceso sencillo e intuitivo, creando primero las texturas con relieve originales en el Relief Texture Maker, para seguidamente, aplicarlas en la visualización interactiva con el Relief Texture Viewer. Se ha demostrado que el mapeado de texturas con relieve reduce de forma drástica el número de polígonos necesarios para la representación de objetos y superficies tridimensionales sin comprometer su nivel de realismo. Esta reducción del número de polígonos podria ser aprovechada para poner más elementos poligonales y de mayor nivel de detalle en la escena tridimensional. Se ha comprobado que el mapeado de texturas con relieve permite incrementar el realismo visual de la geometría renderizada utilizando imágenes fotorealistas manteniendo un coste computacional constante. La representación de un objeto tridimensional utilizando texturas con relieve permite su visualización interactiva con un coste constante asociado a la resolución de las imágenes de las texturas con relieve. Es decir, podemos obtener una representación tridimensional, utilizando texturas con relieve, partiendo de modelos geométricos con miles o cientos de miles de polígonos, y su renderización será proporcional únicamente al número de texels utilizados para su renderización e independiente de la geometría original. El Relief Texture Viewer, implementando por software la etapa de transformación (prewarp) de las texturas con relieve, únicamente es viable para representar modelos geométricos con más de polígonos aproximadamente. Con modelos geométricos de menor número de polígonos no es rentable la utilización del mapeado de texturas con relieve, puesto que el hardware gráfico actual acelera enormemente la visualización de las representaciones poligonales (véase la gráfica de la izquierda en la figura 12 que ilustra esta situación). En una posible situación futura (ilustrada en la gráfica del a derecha en la figura 12), las tarjetas aceleradoras gráficas proporcionarán cada vez más libertad y potencia para el manejo de los pixels (elementos de imagen) de forma directa, aumentando así de forma espectacular el rendimiento de las operaciones de transformación de imagen que permitirán una aceleración espectacular del algoritmo de mapeado de texturas con relieve. De esta forma, cada vez será más viable la utilización del mapeado de texturas con relieve para la representación de modelos poligonales de menor resolución. unque como es evidente, las nuevas tarjetas aceleradoras gráficas aumentarán también de forma drástica la velocidad de visualización de las representaciones poligonales, lo cual requerirá encontrar el punto de intersección entre las dos curvas para cada sistema sobre el que se quiera implementar las técnicas aquí expuestas. Claramente, se observa un compromiso (trade off ) que debe respetarse entre la capacidad del hardware para la visualización de geometría (medida en polígonos por segundo) y la respectiva capacidad para las avanzadas manipulaciones de texturas estudiadas. Como conclusión general, podemos observar que a partir de las gráficas de la figura 12, la técnica del mapeado de texturas con relieve (relief texture mapping) es una técnica muy poderosa para tratar geometrías complejas, pero cuyo rendimiento no justifica su empleo en escenas de baja complejidad (en nuestro caso, se determinó un límite aproximado de polígonos). demás, quedan grandes posibilidades de ampliación del proyecto, creando nuevos tipos de objetos englobantes, mejores que una caja englobante, para la representación de los objetos geométricos. La implementación por hardware del mapeado de texturas con relieve. gregación de efectos de sombras e iluminación sobre las texturas con relieve. Incluso un sistema de nivel de detalle (LOD 4 ) en las texturas con relieve para que la escena pueda visualizarse a más velocidad. 4 Las técnicas LOD (level of detail) substituyen la representación de un objeto tridimensional por una con mayor nivel de detalle cuando el observador se acerca mucho al objeto y por una forma más simplicada cuando el observador se aleja de él, ya que a menor distancia no se apreciará la pérdida de detalle y se mejorará el rendimiento de la visualización.

10 10 Situación actual: Texturas con relieve / Polígonos Situación futura: Texturas con relieve / Polígonos Polígonos / modelo Polígonos / modelo PSX PS2 Futuro 1 PSX PS2 Futuro Sistema Sistema Relief Texture Viewer (RTM Soft.) Efectividad Relief Texture Mapping por Software Hardware Poligonal (HP) Efectividad Hardware Poligonal Relief Texture Viewer (RTM Hard.) Efectividad Relief Texture Mapping por Hardware Hardware Poligonal (HP) Efectividad Hardware Poligonal Figura 12: En la gráfica de la izquierda, como puede observarse, la implementación actual del mapeado de texturas con relieve únicamente es rentable para representar modelos tridimensionales de más de polígonos aproximadamente. Para modelos tridimensionales con menor número de polígonos, la representación geométrica es la más aconsejable. Con los avances de la tecnologia en las tarjetas aceleradoras gráficas en un futuro cercano, el mapeado de texturas con relieve resulte eficiente para modelos tridimensionales con menor número de polígonos, y que al mismo tiempo, las representaciones poligonales serán capaces de utilizar modelos geométricos más detallados.