Welche 3D-Techniken gibt es und wie unterscheiden sie sich?

Wir haben uns auf 3D-Darstellungen spezialisiert und möchten dir daher einen Einblick in die Techniken geben, die im 3D-Bereich eingesetzt werden. Dabei gehen wir auf die Erklärung, sowie die Vor- und Nachteile verschiedener Techniken ein. Jede Technik hat ihre individuellen Stärken und Schwächen. Zudem lassen sich die Techniken miteinander kombinieren.

Bump Maps

Bump Maps, auch “Bumps”, sind eine der ältesten Map-Arten und wurden 1978 von James F. Blinn entwickelt. Mit den Bumps kann man die Detailgenauigkeit der 3D-Objekte steigern, ohne deren Komplexität oder Auflösung zu erhöhen. Es verleiht dem Modell die Illusion von Tiefe, obwohl die Unebenheiten auf der Oberfläche nur simuliert sind.

Experten sagen auch, dass die Objektgeometrie sich nicht ändert, sondern nur mit verschiedenen Schattierungen der Farben grau, schwarz und weiß, gearbeitet wird. Die Farbinformationen sind dabei auf 8 Bit bzw. 256 verschiedene Farbtöne limitiert. 

Die Technik wird vor allem genutzt, um Details auf (3D-) Modellen darzustellen, z.B. Hautfalten oder Tierschuppen.

Foto: Wikipedia

Wie funktionieren Bump Maps?

Bums Maps funktionieren wie Binärsysteme von Computern. Anstelle von “1” oder “0” geben sie der 3D-Software Informationen, wie “hoch” / “heller” oder “runter” / “dunkler”. Das menschliche Auge nimmt die verschiedenen Grauschattierungen als Höhenunterschiede war. Somit wirken Objekte mit einer breiten Varianz an Grautönen detailreicher.

Bump Maps – Vorteile

• Benötigen wenig Rechenleistung
• Relativ geringer Aufwand mit 2D- oder 3D-Programmen
  • Auch in Photoshop möglich
• Ergebnis ist durchaus ansprechend

Bums Maps – Nachteile

• Bei ungeeigneten (z.B. sehr flachen) Betrachtungswinkeln, wird die Darstellung unrealistisch verzerrt
• Da es nur eine Illusion ist, verändert sich auch die Silhouette nicht

Normal Maps

Normal Maps sind die Weiterentwicklung der Bumps. Auch bei dieser Technik werden die (Tiefen-) Details nur durch eine Illusion geschaffen. Sie wird besonders bei Computer- und Videospielen sowie modernen Smartphone-Games verwendet. 

Die Normal Maps lassen sich in zwei verschiedene Varianten einteilen:

• Object Space Maps: eignen sich für statische Objekte
• Tangent Space Maps: haben besonders bei Charakteren ihre Stärken

Foto: Wikipedia

Wie funktionieren Normal Maps?

Die Illusion der Normal Maps ist etwas komplexer, als die der Bumps. Hier werden keine Graustufenbilder, sondern RGB-Texturen verwendet. Jede rote, grüne oder blaue Farbinformation steht für die Dimension X, Y bzw. Z auf den Achsen. Somit bekommt das 3D-Programm genau die Informationen, wie ein bestimmtes Polygon ausgerichtet ist und wie der Schatten fallen muss.

Normal Maps – Vorteile

• Liefern bessere Ergebnisse als Bumps
• Sind in meisten Modellvorstellungen der Grafikprogramme passabel integriert

Normal Maps – Nachteile

• Je steiler der Winkel, desto schwächer die Wirkung
• Geometrie der Objektoberfläche bleibt unverändert
• Erstellung und Modifikation mit klassischen 2D-Grafikprogrammen wie Photoshop ist schwerer

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Besonderheiten der Parallax Normal Map

Die Parallax Normal Map ist auch eine Variante der Normal Map. Sie wurde 2001 von einem Team um Tomomichi Kaneko entwickelt. Die Objektoberflächen erhalten eine noch detailreichere Tiefe und wirken somit realistischer. Das positive daran ist, dass der Rechenaufwand dafür kaum steigt, obwohl jeder Blickwinkel Berücksichtigung findet.

Mit der Technik verschieben sich die Texturkoordinaten jedes Pixels, wenn sich der Blickwinkel ändert. Bei einem flacheren Blickwinkel verschieben sich die Texturkoordinaten stärker. Der sogenannte Parallaxeneffekt sorgt dann für eine beeindruckende Plastizität. Diese Map ist besonders dafür geeignet, kleinere Boden- oder Wandbereiche mit einer Illusion von Tiefe auszustatten.

Hier siehst du den Unterschied zwischen Parallax und Normal Mapped Objects:

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Displacement Maps

Mit der Displacement Map können Objektoberflächen so modifiziert werden, dass sie realistischer und detailreicher wirken. Im Gegensatz zu den vorher erklärten Verfahren wird bei dieser Technik die Objektgeometrie verändert. 

Die Technik kommt bei anspruchsvollen Projekten im Bereich der Virtual bzw. Augmented Reality zum Einsatz. Sie ist besonders für großflächige Modifikationen sehr gut geeignet, bei denen andere Maps unter Umständen an ihre Grenzen kommen.

Wie funktionieren Displacement Maps?

Ähnlich wie die Bumps, bestehen auch die Displacement Maps aus Werten verschiedener Graustufen. Im Gegensatz zu den Bumps, sind die Farbinformationen nicht auf 8 Bit beschränkt, sondern auch 16 oder 32 Bit möglich. Damit wird die Darstellung fast immer verbessert und Störungen wie Artefakte werden verringert. 

Vor der Map-Erstellung wird das komplexe Polygonnetz in einfachere Flächen, wie z.B. Drei- oder Vierecke, unterteilt.

Eine einfache und kurze Erklärung findest du in diesem Video:

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Displacement Map – Vorteile

• Verändern die Geometrie des Objektes
• Bei einem anderen Betrachtungswinkel bricht Illusion nicht zusammen
• Basis
  • Modell mit hoher Auflösung oder
  • Einfaches Objekt, welches zusätzliche Details erhält
• Erstellung in Echtzeit

Displacement Map – Nachteile

• Echtzeit-Erstellung erfordert hohe Anforderungen and Systeme und 3D-Programme
• Höhere Aufwand übertrifft nicht unbedingt den zu erwartenden Nutzen

Software Tipp

Crazy Bump ist ein kleines Software Tool. Es generiert ganz einfach Bump-, Normal-, Spec- oder Displacement Maps. Du kannst Fotos oder Texturen einfügen und die Software ermittelt die benötigten Maps. So kannst du dir den Umweg über Photoshop sparen.

Zukunft von Bump-, Normal- und Displacement Mapping

Wie genau die Zukunft im Bereich der 3D-Technologie aussieht kann man noch nicht sagen. Klar ist aber, dass fast täglich neue Entwicklungen zu sehen sind. Viele 3D-Software Programme und Rendering Engines haben die Techniken komplett integriert, was den Ablauf enorm vereinfacht.

Ein spannender Ansatz ist der von Unreal Engine. Sie nutzen die neuen Kern-Technologien Nanite und Lumen. Das komplette Mapping, wie wir es heute kennen, könnte durch diese Technologien revolutioniert werden.

Hier ein wirklich atemberaubendes Video von Unreal: 

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Hier siehst du, wie wir 3D-Modelle nutzen, um Immobilien schön einzurichten: