Wie unterscheiden sich Bump-, Normal-, Parallax Normal- und Displacement Map?

Was sind die Vor- und  Nachteile? Wofür wird was eingesetzt?

Als auf 3D- Darstellungen spezialisiertes Unternehmen erhalten wir oft Anfragen bezüglich der Unterschiede von verschiedenen Techniken die im 3D-Bereich eingesetzt werden. Wir beantworten diese Fragen natürlich gerne und möchten auch in unserem Blog zu dieser Thematik Interessenten einige hilfreiche Informationen liefern.

Dieser Artikel soll in diesem Zusammenhang einen ersten Einblick über verbreitete Methoden zur Gestaltung von Texturen liefern. Dabei möchten wir die Verfahren Bump Map, Normal Map, Parallax Normal Map sowie Displacement Map kurz vorstellen und die wesentlichen Vor- und Nachteile sowie Anwendungsfelder skizzieren.

Dabei zeichnet sich jede der Techniken – die sich auch miteinander kombinieren lassen – durch individuelle Stärken und Schwächen aus. Zugunsten einer besseren Verständlichkeit und größerer Anschaulichkeit verzichten wir dabei so weit wie möglich auf Fachchinesisch, sodass 3D-Profis vielleicht einige Darstellungen als unscharf empfinden könnten.

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1.

Was ist eine Bump Map und wofür wird sie eingesetzt?

ALLES KURZ ZUSAMMENGEFASST
Beispiel Bumpmap

Hauptmerkmal: Illusion der Tiefer entsteht, Geometrie wird nicht verändert. (Kugelkanten bleiben rund)

Bump Maps – manchmal auch nur kurz „Bumps“ genannt – zählen zu den älteren Map-Arten und wurden bereits 1978 von James F. Blinn entwickelt. Mit ihnen lässt sich der Detailreichtum von dreidimensionalen Objekten erhöhen, ohne dass dadurch die Komplexität oder Auflösung des Modells zunimmt. Es handelt sich also gewissermaßen um einen Trick, der einem Modell die Illusion von Tiefe verleiht, wobei die Unebenheiten auf der Oberfläche lediglich simuliert sind. Fachleute sprechen in diesem Zusammenhang davon, dass sich die Objektgeometrie nicht verändert. Die Bilder bestehen aus verschiedenen Schattierungen der Farbtöne Grau, Schwarz und Weiß. Die Farbinformationen sind allerdings lediglich auf 8 Bit bzw. 256 verschiedene Farbtöne limitiert. In der Praxis findet die Technik vor allem Verwendung, um Details auf (3-D-)Modellen darzustellen. Dabei kann es sich beispielsweise um Hautfalten oder Tierschuppen handeln.

Wie funktionieren Bump Maps ?

VorherBump Map Unterschied

Bump Maps funktionieren wie Binärsysteme von Computern. Statt „1“ oder „0“ teilen sie der 3D-Software aber entweder „hoch“ bzw. „heller“ oder „runter“ bzw. „dunkler“ mit. Dabei reicht die Farbdarstellung von tiefschwarz (Wert: 0) bis zu reinweiß (Wert: 255). Die verschiedenen Grauschattierungen auf der Oberfläche des Modells interpretiert das menschliche Auge als Höhenunterschiede bzw. Details. Dementsprechend wirken Objekte mit einheitlichen Grautönen detailarm und mit einer breiteren Varianz an Grautönen eher detailreich.

Welche Vor- und Nachteile zeichnen Bump Maps aus?

Bump Maps benötigen wenig Rechenleistung. Zudem lassen Sie sich mit relativ geringem Aufwand mithilfe von gängigen 2D- oder 3D-Programmen – unter anderem auch mit Photoshop – erstellen und modifizieren. Angesichts der geringen Anforderungen ist das Ergebnis durchaus ansprechend. Bei ungeeigneten – meistens sehr flachen – Betrachtungswinkeln wirkt die Darstellung allerdings unrealistisch verzerrt. Weil es sich letztlich nur um eine Illusion handelt, verändert sich auch die Silhouette nicht.

2.

Was ist eine NORMAL Map und wofür wird sie eingesetzt?

ALLE INFOS AUF EINEN BLICK

Normal Maps sind eine Weiterentwicklung der Bumps. Auch hier sind die (Tiefen-)Details, die ein Modell realistischer wirken lassen, jedoch lediglich eine Illusion. Die Technik findet vor allem bei Computer- und Videospielen sowie modernen Smartphone-Games Verwendung. Zudem lassen sich die Varianten Object Space Maps und Tangent Space Maps unterscheiden. Während Erstere sich gut für statische Objekte eignen, spielen Letztere besonders bei Charakteren ihre Stärken aus.

Die Besonderheiten der Parallax Normal Map

Bei Parallax Normal Map handelt es sich um eine Variante der Normal Map, die aber so bedeutsam ist, dass sie einen eigenen Absatz verdient. Das Verfahren entwickelte eine Gruppe um Tomomichi Kaneko im Jahr 2001. Hier erhalten Objektoberflächen eine ausgeprägtere Tiefe und wirken noch realistischer, ohne dass dafür der Rechenaufwand erheblich steigt. Dabei findet der jeweilige Blickwinkel – im Unterschied zu den anderen bisher vorgestellten Verfahren – explizit Berücksichtigung. Denn die Technik setzt auf eine Verschiebung der Texturkoordinaten jedes Pixels mithilfe einer Funktion des Blickwinkels. Ist der Blickwinkel flacher, verschieben sich die Texturkoordinaten stärker und erzeugen dank des sogenannten Parallaxeneffektes eine beeindruckende Plastizität. Diese Map eignet sich besonders gut um – nicht zu großflächigen – Boden- oder Wandbereichen eine Illusion von Tiefe zu verleihen.

Wie funktionieren Normal Maps ?

Die Illusion, die Normal Maps liefern, ist etwas komplexer. Denn statt Graustufenbildern finden hier RGB-Texturen Verwendung. Diese stehen im dreidimensionalen Raum für Positionen in einem Koordinatensystem auf der X-, Y- und Z-Achse. Damit steht jede rote, grüne oder blaue Farbinformation für die Dimension X, Y bzw. Z. Eine RGB-Information zeigt dem 3D-Programm dementsprechend die Ausrichtung eines bestimmten Polygons und dessen Schattierung.

Welche Vor- und Nachteile haben Normal Maps?

Normals Maps liefern in verschiedenen Szenarios bessere Ergebnisse als Bumps und sind in den meisten Modellvorstellungen der Grafikprogramme passabel integriert. Sie teilen aber einige typische Schwächen – etwa die Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel. Generell gilt hier: je steiler der Winkel, desto schwächer die Wirkung. Auch hier bleibt die Geometrie der Objektoberfläche unverändert. Allerdings gestaltet sich die Erstellung und Modifikation mit vielen klassischen 2D-Grafikprogrammen wie Photoshop schwerer. Immerhin existieren einige Ausnahmen wie die Software Mari.

3.

Was ist eine DISPLACEMENT Map und wofür wird sie eingesetzt?

DER ÜBERBLICK – ALLE INFOS

Mit einer Displacement Map lassen sich Objektoberflächen so modifizieren, dass diese deutlich realistischer und detailreicher wirken. Im Unterschied zu den anderen Verfahren geschieht das allerdings durch eine Veränderung der Objektgeometrie. Hier verändert sich also auch das Polygonnetz des Objekts. Die Technik findet beispielsweise bei anspruchsvollen Projekten im Bereich der Virtual bzw. Augmented Reality Verwendung und eignet sich auch besonders gut für großflächige Modifikationen, bei denen andere Maps teilweise an ihre Grenzen kommen.

Wie funktionieren Displacement Maps ?

Wie Bumps bestehen auch Displacement Maps aus Werten von verschiedenen Graustufen. Allerdings sind die Farbinformationen nicht auf 8 Bit beschränkt. Vielmehr lassen sich auch Maps mit 16 oder 32 Bit – und einer entsprechend größeren Anzahl von Farbtönen – erstellen. Das verbessert fast immer die Darstellung und minimiert Störungen wie Artefakte. Vor der Map-Erstellung erfolgt in der Regel die Unterteilung des komplexen Polygonnetzes des jeweiligen Objekts in einfacher zu handhabende Flächen – etwa Drei- oder Vierecke.

Welche Vor- und Nachteile haben Displacement Maps?

Displacement Maps verändern im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren die Geometrie des Objekts. Das verhindert, dass die „Illusion zusammenbricht“, wenn sich Parameter wie der Betrachtungswinkel verändern. Als Basis kann dabei sowohl ein Modell mit hoher Auflösung als auch ein einfaches Objekt dienen, das dann zusätzliche Details erhält. Die Erstellung der neuen Geometrien in Echtzeit sorgt allerdings für beträchtliche Anforderungen an Systeme und 3D-Programme. Ob dieser – im Vergleich zu den anderen Techniken – höhere Aufwand den zu erwartenden Nutzen übertrifft, müssen Nutzer bei jedem Projekt individuell entscheiden.

4.

Software Tipp

DAS HILF BEIM ERSTELLEN DER MAPS

Crazy Bump ist kleines Software Tool um Bump-, Normal-, Spec oder Displacement Maps ganz einfach zu generieren. Hier können Fotos oder Texturen eingespeist werden. Die Software generiert die benötigten Maps – ganz ohne den Umweg z.B. über Photoshop.

Was ist die Zukunft von Bump-, Normal-, oder Displacement Mapping.

In welche Richtung es in Zukunft gehen wird kann man noch nicht genau sagen.
Fakt ist, dass die Entwicklung in allen Bereichen rasant voran geht und die verschiedenen 3D Software Programme und Rendering Engines viele Techniken komplett integrieren oder vereinfachen.

Ein super spannender Ansatz ist der von Unreal Engine mit den beiden neune Kern-Technologien Nanite und Lumen. Dies könnte das komplette Mapping wie wir es heute haben revolutionieren.

Ein tolles Video – wirklich beeindruckend was bald möglich wird.

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