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Lição 16 - Texturização

objetivo

Olá estudante, tudo bem com você?

Agora que você já conhece como funciona a visibilidade em computação gráfica, chegou a hora de entender os conceitos de texturização. Nesta lição, teremos uma compreensão abrangente dos conceitos e das técnicas de texturização em computação gráfica e exploraremos como as texturas são aplicadas a modelos tridimensionais para adicionar detalhes e realismo às superfícies dos objetos. Além disso, abordaremos a importância da texturização na criação de imagens digitais realistas, destacando como as texturas podem simular diferentes materiais, como madeira, metal, tecido e pele. Explicaremos o processo de mapeamento de texturas, incluindo técnicas, como UV mapping, que relaciona coordenadas de textura a vértices do modelo 3D. Ademais, discutiremos as diferentes técnicas de compressão de texturas que otimizam o uso da memória sem sacrificar a qualidade visual.

Você, também, aprenderá sobre mipmapping, uma técnica que utiliza versões reduzidas das texturas para melhorar o desempenho e a qualidade das renderizações quando são vistas de diferentes distâncias. Ao final, espera-se que você, técnico em desenvolvimento de sistemas, seja capaz de implementar técnicas de texturização em seus próprios projetos, otimizar o uso de recursos computacionais e aprimorar a qualidade visual das suas criações digitais.

problematização

A texturização em computação gráfica resolve um problema fundamental na criação de imagens digitais realistas: a aparência simplista e artificial das superfícies de objetos tridimensionais sem detalhes finos. Sem texturas, mesmo os modelos 3D mais complexos podem parecer planos e pouco convincentes, pois a superfície dos objetos é representada apenas por sua geometria e cor básica. Imagine, por exemplo, a modelagem de uma cena de floresta para um jogo. Sem texturas, as árvores seriam apenas cilindros e cones com cores sólidas, e o solo seria uma superfície plana de uma única cor. Isso resultaria em uma cena visualmente pobre e incapaz de engajar o observador devido à sua falta de realismo.

A texturização resolve esse problema ao permitir que detalhes finos, como a rugosidade da casca das árvores, a complexidade das folhas, as variações do solo e até mesmo os reflexos da luz, sejam adicionados às superfícies dos objetos. Usando técnicas, como UV mapping, pode-se aplicar imagens 2D (texturas) nas superfícies 3D, garantindo que cada parte do modelo exiba os detalhes apropriados. Isso transforma um simples cilindro em um tronco de árvore convincente, com todas as nuances visuais que se esperaria ver na realidade. Muito interessante, não é mesmo?

Vamos aprender mais sobre isso!

case

O case fictício de hoje é sobre a empresa Nova Tech Studios, que é uma empresa inovadora no setor de tecnologia e entretenimento. Ela tinha como objetivo criar uma experiência de realidade virtual (VR) imersiva que transportasse os usuários para um mundo medieval com um nível de realismo sem precedentes. O projeto, denominado Kingdoms of Eldoria, visava entreter, mas também demonstrar o potencial da realidade virtual em ambientes educacionais e turísticos.

O maior desafio enfrentado pela empresa era a criação de um mundo virtual detalhado e convincente, capaz de proporcionar uma sensação de imersão total aos usuários. Os modelos 3D iniciais, embora, geométrica e estruturalmente, precisos, careciam de realismo devido à falta de detalhes finos nas superfícies dos objetos. Elementos, como as pedras das muralhas dos castelos, a textura do solo das florestas e os tecidos das vestimentas dos personagens, pareciam artificiais e planos, comprometendo a experiência geral. Para superar esse desafio, a empresa investiu em técnicas avançadas de texturização. A equipe de desenvolvimento decidiu implementar uma combinação de UV mapping, normal mapping e mipmapping para criar superfícies detalhadas e realistas sem sobrecarregar a capacidade de processamento dos dispositivos de VR.

Como resultado, Kingdoms of Eldoria foi lançado com grande aclamação, destacando-se no mercado de realidade virtual pela sua qualidade visual e profundidade de imersão. Os usuários relataram uma experiência altamente realista, destacando como podiam sentir a textura das superfícies e a autenticidade dos ambientes medievais. Educadores e profissionais do turismo também elogiaram a aplicação da VR em seus campos, usando o projeto para simular passeios históricos e educar os alunos sobre a vida medieval de forma envolvente e interativa.

Observe que o relato sobre a empresa Nova Tech Studios e seu projeto Kingdoms of Eldoria tem forte relação com o tema da lição de hoje. A texturização é uma parte essencial do processo de criação de ambientes virtuais realistas, como os encontrados em jogos, simulações e experiências de realidade virtual. Portanto, tem uma relevância significativa para você, futuro técnico em desenvolvimento de sistemas, pois oferece insights práticos sobre técnicas de texturização, integração de tecnologias emergentes e desenvolvimento de habilidades interdisciplinares.

Vamos aprender mais sobre isso?

Conceitualização

A texturização em computação gráfica refere-se ao processo de aplicar imagens (texturas) em modelos tridimensionais para adicionar detalhes e realismo às suas superfícies. Essa é uma técnica fundamental utilizada para simular materiais e texturas encontrados na vida real, como madeira, metal, tecido e pele, proporcionando uma representação visual mais convincente e imersiva. Cardoso (2024) diz que o uso correto de texturas ajuda a otimizar a animação de jogos, principalmente os que são destinados a dispositivos móveis, como smartphones.

Sem texturas, os objetos tridimensionais tendem a parecer planos e artificiais, comprometendo a qualidade e a credibilidade da cena. Por meio da texturização, é possível agregar profundidade, detalhes e variedade visual às superfícies dos objetos, resultando em uma experiência visual mais rica e envolvente para o espectador. Exemplos de texturização em aplicações reais podem ser encontrados em filmes de animação, jogos eletrônicos, simulações arquitetônicas e modelos virtuais de produtos, em que a texturização é amplamente empregada para criar mundos digitais convincentes e cativantes.

Tipos de texturas

As texturas desempenham papel fundamental na criação de ambientes visuais convincentes e realistas em computação gráfica. Existem dois tipos principais de texturas: as bidimensionais (2D) e as tridimensionais (3D), cada uma com suas características e aplicações distintas. As texturas bidimensionais são imagens planas que são aplicadas às superfícies dos objetos em uma cena tridimensional. Elas são usadas para adicionar detalhes visuais às superfícies, como padrões, cores, efeitos de desgaste e sujeira. Exemplos comuns de texturas bidimensionais incluem texturas de madeira, metal, tecido, pedra e pele. Essas texturas são criadas digitalmente ou fotografadas a partir de objetos reais e, em seguida, mapeadas nos modelos 3D usando técnicas, como UV mapping.

Por outro lado, as texturas tridimensionais são mais complexas e simulam características físicas adicionais, como relevo e deformações. Elas são usadas para representar detalhes mais profundos, como rugosidades, sulcos e relevos em objetos tridimensionais. Exemplos de texturas tridimensionais incluem texturas de terreno, texturas de terreno, efeitos de líquidos e padrões de relevo. Essas texturas são aplicadas diretamente aos modelos 3D e podem ser manipuladas em tempo real para criar efeitos dinâmicos, como ondulações na água ou rugas em tecidos.

A escolha entre texturas bidimensionais e tridimensionais depende das necessidades específicas do projeto e do nível de detalhe desejado. Enquanto as texturas bidimensionais são adequadas para adicionar detalhes superficiais e padrões visuais, as texturas tridimensionais são ideais para simular características físicas mais complexas e realistas. Em conjunto, esses tipos de texturas são essenciais para criar ambientes digitais envolventes e cativantes em diversas aplicações, como filmes de animação, jogos eletrônicos, simulações arquitetônicas e design de produtos.

Mapeamento de texturas

O mapeamento de texturas é uma técnica essencial na computação gráfica que permite aplicar texturas bidimensionais em modelos tridimensionais, proporcionando detalhes visuais e realismo às superfícies dos objetos. Essa técnica desempenha papel crucial na criação de ambientes digitais envolventes e convincentes, sendo amplamente utilizada em filmes de animação, jogos eletrônicos, simulações arquitetônicas e design de produtos.

Ele, também, é importante, porque permite que os artistas e desenvolvedores atribuam características visuais específicas às superfícies dos objetos, como padrões, cores e detalhes, sem a necessidade de modelar esses detalhes diretamente na geometria do objeto. Isso resulta em uma representação visual mais rica e detalhada, contribuindo significativamente para a qualidade final da imagem ou do ambiente virtual. Existem várias técnicas básicas de mapeamento de texturas, cada uma com sua característica e aplicações específicas. Entre as mais comuns, temos:

● UV Mapping

É uma técnica que envolve a projeção de coordenadas 2D de uma imagem (textura) em um modelo 3D, usando um sistema de coordenadas bidimensionais chamado de mapa UV. Os artistas criam mapas UV para cada objeto modelado, indicando como as coordenadas 2D da textura devem ser aplicadas às superfícies do modelo. Isso permite um controle preciso sobre a aplicação da textura, garantindo um ajuste adequado ao objeto tridimensional.

● Procedural Mapping

É uma técnica em que as texturas são geradas automaticamente por meio de algoritmos e fórmulas matemáticas, ao invés de serem criadas manualmente ou fotografadas. Essa abordagem oferece flexibilidade e variedade na criação de texturas, permitindo a geração de padrões complexos e detalhados de forma dinâmica. Além disso, as texturas procedurais podem ser facilmente escaladas e ajustadas, tornando-as ideais para criar uma ampla gama de efeitos visuais personalizados.

● Cube Mapping

É uma técnica usada em ambientes com reflexões ou refrações, como água, vidro e metal. Envolve a projeção de seis texturas em um cubo virtual que envolve o objeto tridimensional, capturando reflexões em diversas direções. Isso cria uma ilusão de reflexão ambiental realista, aumentando a imersão e o realismo da cena.

Técnicas de compressão de texturas

A compressão de texturas é uma prática essencial na computação gráfica que visa reduzir o tamanho dos arquivos de textura sem comprometer significativamente sua qualidade visual. Essa técnica desempenha papel fundamental na otimização de recursos computacionais, como memória e largura de banda, tornando-a indispensável em uma variedade de aplicações, desde jogos eletrônicos até renderização de vídeos em tempo real.

A importância da compressão de texturas reside no fato de que as texturas podem ocupar uma quantidade significativa de espaço de armazenamento e demandar uma grande quantidade de largura de banda para serem transferidas para a Unidade de Processamento Gráfico — ou Graphics Processing Unit (GPU), em inglês — durante o processo de renderização. Ao comprimir as texturas, é possível reduzir esses requisitos, o que resulta em tempos de carregamento mais rápidos, economia de memória e melhor desempenho geral do sistema.

Existem vários métodos de compressão de texturas, cada um com suas características e aplicações específicas. Alguns dos métodos mais comuns incluem:

● DXT (S3TC)

Também conhecido como Texture Compression, é uma técnica amplamente utilizada em jogos eletrônicos devido à sua eficiência e ao seu suporte generalizado por hardware. Ele funciona comprimindo blocos de pixels em 4x4 e aplicando técnicas, como compressão por diferenciação de cores e interpolação linear. Essa abordagem proporciona boa taxa de compressão com mínima perda de qualidade visual, sendo amplamente suportada por GPUs modernas.

● ASTC

Adaptive Scalable Texture Compression (ASTC) é uma técnica de compressão de texturas que oferece uma variedade de formatos e taxas de compressão. Ele se destaca pela sua capacidade adaptativa, ajustando dinamicamente a taxa de compressão com base nas características da textura. Isso resulta em uma compressão eficiente e com qualidade visual superior, sendo especialmente indicado para dispositivos móveis e realidade virtual, em que a eficiência de armazenamento e a qualidade visual são fundamentais.

● ETC

ETC (Ericsson Texture Compression) é um método de compressão de texturas amplamente empregado em dispositivos móveis devido à sua eficiência e ao seu baixo consumo de recursos. Ele se baseia em uma técnica de compressão por blocos altamente eficiente, proporcionando boa taxa de compressão e qualidade visual. Essa combinação faz do ETC uma escolha adequada para diversas aplicações, incluindo jogos para dispositivos móveis, aplicativos de realidade aumentada e simulações interativas.

Essas técnicas de compressão de texturas desempenham papel crucial na otimização de recursos e no melhoramento do desempenho em uma variedade de aplicações de computação gráfica. Ao escolher o método de compressão mais adequado para cada situação, você poderá garantir uma experiência visual envolvente e de alta qualidade em seus projetos digitais.

Mipmapping

O mipmapping é uma técnica utilizada na computação gráfica para melhorar tanto o desempenho quanto a qualidade visual das texturas aplicadas aos objetos tridimensionais. Os autores Azevedo e Conci (2003) dizem que a técnica mipmapping seleciona a imagem de textura para um polígono mais próximo da resolução da tela. Essa técnica consiste em gerar uma série de versões reduzidas das texturas originais, chamadas mipmaps, que são armazenadas em diferentes níveis de resolução. Cada mipmap representa a textura original em uma escala progressivamente menor, o que significa que as texturas são pré-escaladas para diferentes distâncias de visualização.

O mipmapping oferece benefícios significativos em termos de desempenho e qualidade visual. Ao selecionar automaticamente texturas com base na distância do observador, reduz-se o processamento desnecessário, evitando a aplicação de texturas detalhadas em objetos distantes. Além disso, suaviza a transição entre diferentes níveis de detalhe, eliminando artefatos visuais, como aliasing e popping, resultando em uma experiência visual mais fluida e realista.

No processo de criação de mipmaps, as texturas originais são reduzidas usando algoritmos de filtragem, como o filtro de média ou o filtro deGaussiana. Esses mipmaps são organizados em uma estrutura hierárquica, associando cada nível a uma distância de visualização específica. Durante a renderização, o sistema escolhe automaticamente o mipmap adequado para cada pixel da tela, com base na distância do observador, assegurando uma renderização eficiente e visualmente agradável em diferentes escalas.

A seguir, na Figura 1, temos uma imagem que mostra uma representação visual do processo de mipmapping em um software de modelagem e renderização. Na figura, podemos ver duas imagens semelhantes representando uma versão da mesma textura, no caso o gramado, em diferentes níveis de detalhe. Esses níveis de detalhe são criados a partir da redução progressiva da resolução da textura original. Isso permite que a textura seja renderizada com menos detalhes em distâncias maiores da câmera, economizando recursos computacionais. Observe:

Figura 1 - Representação visual do processo de mipmapping
Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Blender-mipmapping.png. Acesso em: 18 jun. 2024.

#PraCegoVer: a figura mostra uma representação visual de um conceito chamado mipmapping, usado em ambientes gráficos em 3D. A figura apresenta duas imagens, sendo que a apresentada do lado esquerdo traz mais detalhes de texturas do gramado e das pedras. A imagem do lado direito, apesar de conter os mesmos elementos, não mostra tantos detalhes. A ideia é apresentar uma comparação entre as imagens, demonstrando que, mais próximo (imagem do lado esquerdo), podemos ver todos os detalhes, como a textura das árvores e as pedras no chão, enquanto mais longe (imagem do lado direito), a colina parece mais suave e menos detalhada. Fim da descrição.

Normal Mapping e Bump Mapping

Normal Mapping e Bump Mapping são técnicas de computação gráfica que simulam detalhes de relevo em objetos tridimensionais, aumentando o realismo das texturas. Enquanto o Bump Mapping manipula as normais das superfícies para criar a ilusão de relevo, o Normal Mapping utiliza mapas de textura especiais para representar as direções das normais em cada ponto da superfície. A principal diferença entre as duas técnicas reside na complexidade do efeito produzido: o Bump Mapping é mais simples e eficiente computacionalmente, enquanto o Normal Mapping oferece resultados mais precisos e detalhados. Essas técnicas, ao adicionar detalhes de relevo às superfícies dos objetos, criam uma sensação de profundidade e textura, gerando sombras e reflexos mais naturais e uma representação visual convincente.

A aplicação prática do Normal Mapping e do Bump Mapping é comum em várias áreas da computação gráfica, como jogos eletrônicos, simulações arquitetônicas e filmes de animação. Essas técnicas são frequentemente empregadas para aprimorar as texturas de objetos tridimensionais, conferindo realismo e profundidade aos ambientes digitais. Além disso, são recursos acessíveis para melhorar a qualidade visual de projetos gráficos sem comprometer significativamente o desempenho do sistema, sendo amplamente adotados na indústria de produção digital.

Shaders de texturização

Os shaders são programas especiais que executam operações específicas na GPU para manipular as propriedades visuais dos objetos, incluindo a aplicação de texturas. Os shaders de texturização são responsáveis por calcular como as cores das texturas são combinadas com as cores dos objetos, levando em consideração fatores, como iluminação, sombras e reflexos.

Existem vários exemplos de shaders dedicados à texturização, como shaders de mapeamento UV, shaders de mistura de texturas e shaders de iluminação baseada em texturas. Cada tipo de shader é projetado para realizar operações específicas relacionadas à aplicação e manipulação de texturas em objetos tridimensionais. Para otimizar shaders para texturas, é importante considerar técnicas, como o uso eficiente de memória de vídeo, a redução de cálculos desnecessários e a minimização do número de instruções, garantindo, assim, um desempenho ideal durante o processo de renderização.

Otimização de recursos computacionais

A otimização de recursos computacionais é essencial na computação gráfica para garantir um desempenho eficiente e uma experiência visual de alta qualidade. Para isso, técnicas, como o uso eficiente de memória, são fundamentais, incluindo a minimização do uso de texturas de alta resolução e a compressão de dados sempre que possível. Além disso, estratégias, como o uso de técnicas de renderização assíncrona e o emprego de algoritmos de culling, ajudam a melhorar o desempenho gráfico, garantindo que apenas os elementos essenciais sejam processados e renderizados. O balanceamento entre qualidade visual e desempenho é crucial, pois permite que os desenvolvedores otimizem seus projetos para oferecer uma experiência fluida e realista, sem comprometer a qualidade visual das cenas renderizadas.

saiba aplicar

O conteúdo desta lição é fundamental para compreender e aplicar as técnicas de texturização em computação gráfica. Ao explorar como as texturas são aplicadas em modelos tridimensionais, você, futuro técnico em desenvolvimento de sistemas, será capaz de adicionar detalhes e realismo às superfícies dos objetos, simulando diferentes materiais. Nesta lição, assim como na anterior, você deverá usar o aplicativo TinkerCAD, (clique aqui para acessar) para cumprir o desafio que deixarei a você. Para que esse desafio possa ser cumprido corretamente, você deve seguir o passo a passo disponível a seguir:

Abra o TinkerCAD e crie um novo projeto.
No ambiente de design, adicione um objeto 3D que deseja aplicar uma textura. Pode ser uma forma simples, como um cubo.
Ao lado direito da interface, selecione a opção “Shape Generators” e escolha um objeto para adicionar textura. Por exemplo, você pode escolher “Basic Shapes” e selecionar um cilindro.
Com o objeto selecionado, vá para o menu à direita e escolha a opção “Materials”. Aqui, você pode selecionar diferentes texturas predefinidas para o objeto. No entanto, para aplicar UV Mapping, precisaremos de uma textura personalizada.
No menu de materiais, clique em “Custom”, depois, em “Choose File” para carregar uma imagem de textura que você preparou previamente. Certifique-se de que a imagem de textura tenha sido mapeada com coordenadas UV antes de carregá-la.
Após carregar a imagem de textura, o objeto deve ser automaticamente mapeado com ela. No entanto, se precisar ajustar o mapeamento, vá para a opção “Edit” no menu de materiais e, em seguida, escolha “UV Editing”. Aqui, você pode ajustar as coordenadas UV para garantir que a textura seja aplicada corretamente no objeto.
Depois de ajustar o mapeamento UV conforme necessário, você pode retornar ao ambiente de design. Seu objeto agora deve estar texturizado com a imagem que você carregou.
Para visualizar o objeto texturizado em 3D, clique em “Design” no canto superior esquerdo da interface e, em seguida, escolha “3D View”. Aqui, você pode girar e visualizar seu objeto texturizado em todos os ângulos.
Por fim, você pode exportar seu projeto do TinkerCAD como um arquivo STL para uso em outros softwares ou projetos ou até mesmo imprimir em uma impressora 3D.

Essa prática permitirá que você aplique o conceito de UV Mapping para texturizar objetos 3D no TinkerCAD, adicionando detalhes e realismo às suas criações. Se quiser aumentar ainda mais esse desafio, tente aplicar outras técnicas vistas na lição, como procedural mapping e cube mapping. Para aplicá-las corretamente, você pode buscar por tutoriais na internet.

REFERÊNCIAS

AZEVEDO, E.; CONCI A. Computação Gráfica teoria e prática. São Paulo: Campus, 2003.

CARDOSO, L. Modelagem e texturização 3D. Curitiba: Intersaberes, 2024.

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