位移贴图的实现原理

在以前的文章中介绍过GLTF编辑器，编辑器可以对模型的各种材质纹理进行编辑修改，但是有一些新手用户可能对这些材质纹理不太了解，所以我收集了一些资料对这些材质纹理做一下详细的介绍，今天这篇文章主要是介绍位移贴图。

1、什么是位移贴图

位移贴图（Displacement Mapping）是计算机图形学中一种常用的纹理映射技术，用于在渲染过程中模拟物体表面的细节几何形状变化。与其他纹理贴图技术相比，位移贴图能够提供更高级别的细节和真实感。

与其他纹理贴图技术（如法线贴图）不同，位移贴图不仅可以改变物体表面的法线方向，还可以直接修改顶点的位置。它使用灰度图像来表示物体表面的位移量，其中每个像素值表示该位置的位移偏移量。黑色通常代表没有位移，白色代表最大位移，灰度色值则表示不同强度和方向的位移。

位移贴图（Displacement Mapping）主要用于增强计算机图形渲染中物体的细节和形状变化，从而提升渲染结果的真实感和逼真度。它具有以下几个主要作用：

增强细节表现：位移贴图可以模拟物体表面的微小凹凸、纹理和细节，使得渲染出的物体更具有真实感和细腻度。通过修改顶点的位置信息，位移贴图能够在物体表面产生更多的细微变化，使得渲染结果更加精细、丰富。
增加形状变化：位移贴图可以改变模型表面的几何形状，使得物体看起来更加复杂、多变。通过在特定区域调整顶点的位置，位移贴图可以模拟出物体上的凹凸、浮雕等效果，使得物体的外观更加丰富多样。
影响光照计算：位移贴图能够在光照计算过程中考虑顶点的位置偏移，从而影响光照的投影和反射。这样可以使得物体的阴影和高光效果更加真实，与表面的形状变化相对应，增强了渲染结果的细节和立体感。
提升渲染质量：通过使用位移贴图，可以在渲染过程中实现高级别的细节呈现，使得物体的表面更加真实、逼真。它能够使渲染结果更加细致、精确地反映物体表面的形状和细节，提升渲染质量和视觉效果。

位移贴图在游戏开发、电影特效、虚拟现实和产品可视化等领域广泛应用。它可以使虚拟场景的物体更加真实、细致地呈现，从而提升用户体验和视觉效果。同时，位移贴图也具有一定的计算资源要求，因此在实时渲染场景中需要平衡其使用和性能需求。

位移贴图的实现原理可以概括为以下几个步骤：

创建位移贴图：首先，需要生成一张灰度图像，用于表示物体表面的位移量。可以使用专门的位移贴图生成工具或计算机图形学软件来创建。在这张灰度图像中，每个像素的灰度值代表了该位置的位移偏移量。
顶点位移计算：在渲染过程中，对模型的每个顶点进行位移计算。这个计算的基础是使用位移贴图中相应位置的像素值，将其映射到模型表面的对应顶点上。计算时可以通过插值技术来获取相邻像素的位移值。
位移向量应用：根据计算得到的位移偏移量，修改模型表面顶点的位置信息。通常，位移向量会被加到原始的顶点坐标上，从而改变模型的几何形状。
细化位移结果：为了获得更加平滑和细致的位移效果，可以对位移计算结果进行细化处理。这可以通过使用细分曲面(Subdivision Surfaces)、光滑滤波(Smoothing Filters)等技术来实现。
渲染和输出：经过位移贴图处理的模型可以进行渲染，以生成最终的图像或动画。在渲染过程中，位移贴图会影响光照计算、法线方向以及对表面细节的呈现。最终的渲染结果会更加真实、细致地反映物体的形状和细节。

需要注意的是，位移贴图的实现可能因渲染引擎、工具和技术的不同而有所差异。不同的实现方法可能采用不同的算法和技术来计算位移和处理细节。在实际应用中，还需要根据具体情况调整位移贴图的参数和使用方式，以获得满意的渲染效果。

根据以上的讲解，大家应该对位移贴图有了一个整体的了解。下面我们来用GLTF 编辑器来试着给飞机模型做下位移贴图，看下效果如何，感受下视觉效果。

这是一个逼真的苹果3D模型，现在我准备用一张画有树叶的图片作为材质贴图，图中有三个树叶，如下图：

使用GLTF 编辑器为模型设置位移贴图，看看效果：

可以看到，苹果表面的几何形状变化和细节变化都和贴图上的凹凸、纹理或细节比较相似。看完之后，是不是对位移贴图有了一个比较全面的认识。下一期，将为您介绍法线贴图的实现原理。