Luento 4: Näkyvyystarkastelut ja varjot

Transkriptio

1 Tietokonegrafiikan jatkokurssi T op Luento 4: Näkyvyystarkastelut ja varjot Lauri Savioja 02/07 Näkyvyystarkastelut ja varjot / 1 Näkyvyystarkastelu Solurenderöinti Portaalirenderöinti Quad-/Octtree Sisältö Varjot Varjotekstuurit Projektiovarjot Varjotilavuudet Näkyvyystarkastelut ja varjot / 2 1

2 Näkyvyystarkastelu Miksi? Maailmat liian suuria Näytönohjaimet ja tietokoneet liian hitaita Voidaan tarkastella vain pientä osaa maailmasta Turha piirtää sellaista mikä ei ole näkyvissä Vaatii yleensä oman tietorakenteen Vaatii myös jonkin verran laskentaa Näkyvyystarkastelut ja varjot / 3 Näkyvyystarkastelu Tarkoituksena löytää mahdollisimman pieni PVS (Potentially Visible Set) PVS sisältää renderöitävät polygonit, konservatiivinen Saattaa sisältää joitain näkymättömissä olevia polygoneja Jotkin editykselliset algoritmit saattavat parantaa PVS:ää ajan kuluessa, vaikka mikään ei olisi liikkunutkaan Tälläinen on mm. Hybrid Graphics:n dpvs Näkyvyystarkastelut ja varjot / 4 2

3 Solurenderöinti Jaetaan maailma soluihin Renderöidään nykyinen solu ja sen naapurit Haluttaessa voidaan renderöintialuetta laajentaa Helppo implementoida Sopii parhaiten suljettuihin sisätiloihin Ongelma, jos naapurisolun läpi voi nähdä Näkyvyystarkastelut ja varjot / 5 Solurenderöinti Implementointi Jaetaan maailma soluihin Solujen ei tarvitse olla tasakokoisia, yleensä huonejako on sopiva Määritetään soluille naapuruussuhteet Renderöidään nykyinen solu ja tarvittava määrä muita soluja 1. Renderöi nykyinen solu 2. Renderöi naapurisolut (3. Renderöi naapureiden naapurisolut) Näkyvyystarkastelut ja varjot / 6 3

4 Portaalirenderöinti Maailma soluissa kuten solurenderöinnissäkin Solujen välillä portaalipolygonit Portaalipolygonia ei piirretä näkyviin Toiseen soluun voi nähdä vain portaalipolygonin läpi eli yleensä ovet ja ikkunat ovat portaalipolygoneja Riittää tarkistaa, onko yhtään portaalipolygonia näkyvissä 1. Renderöi nykyinen solu (huone) 2. Näkyykö portaalipolygoneja? 3. Jos näkyy, niin renderöi niiden takana oleva solu ja toista portaalitestaus Näkyvyystarkastelut ja varjot / 7 Portaalirenderöinti Portaalin takana oleva solu voidaan leikata portaalipolygonin reunoihin Tällä voidaan minimoida piirrettävä polygonimäärä Toisaalta sen leikkaaminen aiheuttaa lisää laskentaa Portaaleilla on helppoa tehdä peili Laitetaan vain portaalipolygoni osoittamaan takaisin samaan soluun Peilien kanssa kannattaa olla varovainen, ettei tule päättymätöntä heijastusketjua Yleensä heijastusportaaleissa lisätään laskuria, jolla voidaan rajoittaa rekursiosyvyys johonkin järkevään Remedy:n Max Payne käyttää portaalirenderöintiä Näkyvyystarkastelut ja varjot / 8 4

5 Avaruuden osiinjako Auttaa törmäystarkasteluissa Auttaa näkyvyystarkasteluissa Tasajakoinen hila ei auta kovin paljoa Näkyvyystarkastelut ja varjot / 9 Quad-/Octree Puurakenteesta voidaan piirtää riittävän suuri haara, jolloin voidaan olettaa melko suurella todennäköisyydellä, että piirrettävään näkymään ei jää aukkoja. Tämä ei kuitenkaan ole täysin varmaa :-( Sisätiloissa Octree:tä ei kannata käyttää, mutta ulkoilmaan se sopii paremmin Näkyvyystarkastelut ja varjot / 10 5

6 BSP Binary Space Partitioning Vapaat tai axis-aligned jakotasot Näkyvyystarkastelut ja varjot / 11 Varjot Varjoilla saadaan paljon realistisemman näköistä valaistusta Varjot vaativat aika paljon laskentaa Varjot voidaan laskea monella eri tavalla Varjotekstuurit Projisoidut varjot Varjotilavuudet Shadow Map Näkyvyystarkastelut ja varjot / 12 6

7 Varjotekstuurit Varjotekstuurit usein staattisia Voidaan myös animoida hahmon animaation mukana Varjotekstuurit nopeita käyttää Resoluutio ei riitä varjojen heittämiseen kauas Jos varjotekstuurin resoluutio riittävän suuri, niin silloin tekstuuri vie liikaa muistia Varjotekstuurit lasketaan yleensä etukäteen, CPU:ta säästämättä, esim. radiositeetilla Näkyvyystarkastelut ja varjot / 13 Projektiovarjot Heittää objektin varjon tasolle Projisoitu kuva blendataan tason väriin Melko nopea Objekti projisoidaan tasolle valon näkökulmasta Objekti projisoidaan tasolle Piirretään mustalla -> varjo Näkyvyystarkastelut ja varjot / 14 7

8 Projektiovarjot Projisointiin tarvittava projisointimatriisi dot-light[0]*plane.a -light[1]*plane.a -light[2]*plane.a -light[3]*plane.a -light[0]*plane.b dot-light[1]*plane.b -light[2]*plane.b -light[3]*plane.b -light[0]*plane.c -light[1]*plane.c dot-light[2]*plane.c -light[3]*plane.c -light[0]*plane.d -light[1]*plane.d -light[2]*plane.d dot-light[3]*plane.d light = valon sijainti plane = tason yhtälön kertoimet dot = light:n ja plane:n pistetulo Projisoidaan objektin kaikki vertexit Näkyvyystarkastelut ja varjot / 15 Projektiovarjot Projisoinnissa otettava huomioon syvyystesti 1. Varjon voi laittaa hieman erilleen tasosta 2. Syvyystestin voi ottaa pois käytöstä varjojen piirron ajaksi Stencil-puskurilla voidaan rajoittaa varjojen piirtoalue halutulle alueelle tasossa Monta valonlähdettä -> monta projisointia Ongelmia Eivät toimi konkaaveilla objekteilla Ei ole hyvää tapaa heittää varjoa toisen objektin päälle Voidaan tehdä käsittelemällä jokaista polygonia projisoitavana tasona Tasossa olevat heijastukset näkyvät varjon läpi Näkyvyystarkastelut ja varjot / 16 8

9 Fake Shadows using Projective Textures Separate obstacle and receiver Compute b/w image of obstacle from light Use image as projective texture for each receiver Image from light source BW image of obstacle Näkyvyystarkastelut ja varjot / 17 Final image Figure from Moller & Haines Real Time Rendering Varjotilavuudet Idea: Heitetään viivat valonlähteestä objektin reunojen kautta Näistä luodaan varjotilavuus objektin taakse Kun varjotilavuus on luotu, pitää vielä määritellä mitkä pisteet kuuluvat ko. tilavuuteen Näkyvyystarkastelut ja varjot / 18 9

10 Varjotilavuudet Varjotilavuuden luontiin tarvitaan objektin siluetti Siluetti löytyy esim. niin, että sen toisella puolella olevan polygonin normaali osoittaa kohti valoa ja toisella puolella poispäin valosta Pisteen testaus: Heitetään säde maailmasta kohti katsojaa ja lasketaan kuinka monta kertaa se menee tai poistuu varjotilavuudesta Tähän voidaan käyttää stencil-puskuria Näkyvyystarkastelut ja varjot / 19 Shadow Volumes Shoot a ray from the eye to the visible point Increment/decrement a counter each time we intersect a shadow volume polygon (check z buffer) If the counter 0, the point is in shadow Näkyvyystarkastelut ja varjot / 20 10

11 Varjotilavuudet 1. Renderöi maailma normaalisti ambientilla ja emissiivisellä valaistuksella 2. Renderöi varjotilavuudet, disabloi kirjoitus kuvapuskuriin ja syvyyspuskuriin ja kirjoita vain stencil-puskuriin, laske kuinka montaa kertaa mennään varjotilavuuteen sisään (piirrä siis vain etureunat varjoista) 3. Renderöi kuten kohdassa 2., mutta nyt lasketaan poistumiset varjotilavuudesta, eli takareunat ja vähennetään ne stencilistä 4. Renderöi maailma diffuusilla ja heijastusvalaistuksella vain sellaisista kohdista, joissa stencil-puskurissa on nollaa Ongelmia: Hidas, vaatii neljä rendausta Kauempi leikkaustaso voi leikata varjotilavuuden takareunan pois, jolloin varjot saattavat muuttua negatiiveiksi tai ne voivat häipyä kokonaan Näkyvyystarkastelut ja varjot / 21 Varjotilavuudet OpenGL-pseudo implementaatio Draw(ambient); // maailma ambientilla valolla gldepthmask(gl_false); // disabloidaan z-testi glstencilop(..gl_incr); // lisätään stenciliä glcullface(gl_back); // piirretään vain etureunat DrawShadowVolumes(); glstencilop(..gl_decr); // vähennetään stenciliä glcullface(gl_front); // piirretään takareunat DrawShadowVolumes(); gldepthmask(gl_true); glstencilfunc(gl_equal, 0, 1) // piirto, jos stencil = 0 Draw(other); // maailma diffuusilla ja speculaarilla Näkyvyystarkastelut ja varjot / 22 11

12 Shadow Maps Laske Depth map valosta katsottuna Projisoi katseluavaruuteen Päättele mitkä alueet on varjossa Näkyvyystarkastelut ja varjot / 23 Shadow Mapping Texture mapping with depth information 2 passes through the pipeline Compute shadow map (depth from light source) Render final image (check shadow map to see if points are in shadow) Figure from Foley et al. Computer Graphics Principles and Practice Näkyvyystarkastelut ja varjot / 24 12

13 Pehmeät varjot Reaalimaailman varjot lähes aina pehmeitä Tietokoneella raskas tehdä pehmeitä varjoja Säteen seuranta ja radiositeetti ei reaaliaikatekniikoita Viime aikoina ilmaantunut muutamia eri tekniikoita tehdä pehmeitä varjoja yksinkertaisille maailmoille reaaliajassa Objektien siluetteihin voidaan liittää pehmentävä reunus varjojen laskentaa varten Näkyvyystarkastelut ja varjot / 25 Säteen seuranta Säteen seurannassa (path tracing) seurataan ruudusta maailmaan heitettyjä säteitä Säteen osuessa pintaan se heijastuu ja siroaa, materiaalin mukaan Lopullinen väri määräytyy, kun riittävä määrä heijastuksia on tullut tai kun säde on osunut valonlähteeseen Tuloksena realistinen kuva ja pehmeät varjot Näkyvyystarkastelut ja varjot / 26 13

14 Radiositeetti Radiositeettilaskennalla saavutetaan täydelliset varjot ideaalissa diffuusissa tapauksessa Vaatii paljon laskenta-aikaa, ei reaaliaikatekniikkaa Lasketaan pinnoilta toisille heijastuvia valoja Saadaan pehmeät varjot ja muutenkin realistinen kuva Näkyvyystarkastelut ja varjot / 27 14