材質貼圖

材質貼圖是一種在計算機生成的圖形上映射紋理的方法。 這里的紋理可以是高頻細節、表面紋理或顏色。

最初的技術由 Edwin Catmull 于 1974 年首創。

材質貼圖最初指的是漫反射映射，一種簡單地將像素從紋理映射到 3D 表面（將圖像包裹在對象周圍）的方法。 近幾十年來，出現了多通道渲染、多紋理、mipmap 和更復雜的映射，例如高度映射、凹凸映射、法線映射、置換映射、反射映射、高光映射、遮擋映射，以及該技術的許多其他變體 （由材料系統控制）通過大大減少構建逼真和功能性 3D 場景所需的多邊形和照明計算的數量，使得實時模擬接近照片級真實感成為可能。

紋理貼圖是應用（映射）到形狀或多邊形表面的圖像。 這可能是位圖圖像或程序紋理。 它們可以以常見的圖像文件格式存儲，由 3d 模型格式或材料定義引用，并組裝成資源包。

它們可能有 1-3 個維度，盡管 2 個維度對于可見表面最常見。 為了與現代硬件一起使用，紋理貼圖數據可能會以混合或平鋪順序存儲，以提高緩存一致性。 渲染 API 通常將紋理貼圖資源（可能位于設備內存中）作為緩沖區或表面進行管理，并且可能允許“渲染到紋理”以獲得其他效果，例如后期處理或環境映射。

它們通常包含 RGB 顏色數據（存儲為直接顏色、壓縮格式或索引顏色），有時還包含用于 alpha 混合 (RGBA) 的附加通道，尤其是廣告牌和貼花覆蓋紋理。 可以將 alpha 通道（以硬件解析的格式存儲起來很方便）用于其他用途，例如鏡面反射。

可以組合多個紋理貼圖（或通道）以控制鏡面反射、法線、位移或次表面散射，例如 用于皮膚渲染。

多個紋理圖像可以組合在紋理圖集或陣列紋理中，以減少現代硬件的狀態變化。 （它們可能被認為是瓦片地圖圖形的現代演變）。 現代硬件通常支持具有多個面的立方體貼圖紋理以進行環境映射。

紋理貼圖可以通過掃描/數碼攝影獲得，在圖像處理軟件（如 GIMP、Photoshop）中設計，或直接在 3D 繪畫工具（如 Mudbox 或 zbrush）中繪制到 3D 表面上。

這個過程類似于將有圖案的紙應用到一個普通的白色盒子上。 多邊形中的每個頂點都被分配了一個紋理坐標（在 2d 情況下也稱為 UV 坐標）。這可以通過頂點屬性的顯式分配來完成，通過 UV 展開工具在 3D 建模包中手動編輯。 也可以將從 3d 空間到紋理空間的過程轉換與材質相關聯。 這可以通過平面投影或柱面或球面映射來實現。 更復雜的映射可能會考慮沿表面的距離以最小化失真。這些坐標在多邊形的面上進行插值以在渲染期間對紋理貼圖進行采樣。紋理可以重復或鏡像以在更大的區域上擴展有限的矩形位圖，或者它們 可能從表面的每一塊都有一個一對一的唯一單射映射（這對于渲染映射和光照映射很重要，也稱為烘焙）。

材質貼圖將模型表面（或光柵化過程中的屏幕空間）映射到紋理空間； 在這個空間中，紋理貼圖以其未失真的形式可見。 UV 展開工具通常提供紋理空間視圖以供手動編輯紋理坐標。 一些渲染技術，例如次表面散射，可以近似地通過紋理空間操作來執行。

多重紋理是一次在多邊形上使用多個紋理。 例如，光照貼圖紋理可用于照亮表面，作為每次渲染表面時重新計算光照的替代方法。 微觀紋理或細節紋理用于添加更高頻率的細節，污垢貼圖可能會添加風化和變化； 這可以大大減少重復紋理的明顯周期性。 現代圖形可能會使用 10 個以上的層，這些層使用著色器組合，以獲得更高的保真度。 另一種多紋理技術是凹凸貼圖，它允許紋理直接控制表面的朝向以進行光照計算； 它可以為復雜表面（如樹皮或粗糙的混凝土）提供非常好的外觀，除了通常的詳細著色外，還具有照明細節。