(7) Schatten. Vorlesung Computergrafik II. Dank an Niklas Henrich, Thorsten Grosch, Matthias Raspe U N I V E R S I T Ä T KOBLENZ LANDAU

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1 (7) Schatten Vorlesung Computergrafik II Dank an Niklas Henrich, Thorsten Grosch, Matthias Raspe KOBLENZ LANDAU

2 Geometrie zeichnen Immediate Mode (glbegin/glend) Vertex Arrays Vertex Buffer Objects (VBO) Display Listen 1. Dreiecke nvidia 88 GTX Flat Shading Beleuchtung: Aus Tiefentest: An Texturierung: Aus KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 2 -

3 Immediate Mode Daten werden einzeln an die Grafikkarte übertragen Viele Aufrufe an den Treiber Sehr langsam! glbegin(gl_triangles); glnormal3f( ); glcolor3f( ); glvertex3f( ); glend(); KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 3 -

4 Vertex Arrays (Daten in der richtigen Reihenfolge) Daten liegen im Hauptspeicher Im Gegensatz zum Immediate Mode nur ein Aufruf Client Arrays einschalten glenableclientstate(gl_vertex_array); glenableclientstate(gl_color_array); Zeiger auf die Arrays definieren glvertexpointer(3, GL_FLOAT,, colors); glnormalpointer(3, GL_FLOAT,, vertices); Daten in einem Rutsch übertragen gldrawarrays(gl_polygon,, N); gldrawarrays( ) Eckpunkte Farbe KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 4 -

5 v 1 v Beispiel GLfloat vertices[] = { 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1,-1, 1, // v-v1-v2-1,-1, 1, 1,-1, 1, 1, 1, 1}; // v2-v3-v GLfloat colors[] = { 1, 1, 1, 1, 1,, 1,,, // v-v1-v2 1,,, 1,, 1, 1, 1, 1}; // v2-v3-v v v 2 3 glenableclientstate(gl_color_array); glenableclientstate(gl_vertex_array); glcolorpointer(3, GL_FLOAT,, colors); //#components, type, offset, ptr. glvertexpointer(3, GL_FLOAT,, vertices); gldrawarrays(gl_triangles,, 6); //mode, first, count gldisableclientstate(gl_vertex_array); gldisableclientstate(gl_color_array); KOBLENZ LANDAU - 5 -

6 Indizierte Vertex Arrays Analog zu Vertex Arrays Client Arrays einschalten glenableclientstate(gl_vertex_array); glenableclientstate(gl_color_array); Zeiger auf die Arrays definieren glvertexpointer(3, GL_FLOAT,, normals); glnormalpointer(3, GL_FLOAT,, vertices); Daten in einem Rutsch übertragen gldrawelements(gl_triangles, N, GL_UNSIGNED_BYTE, indices); gldrawelements( ) KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 6 -

7 Vertex Arrays GLubyte indices[] = {, 1, 2, 2, 3, }; GLfloat vertices2[] = { 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1,-1, 1, 1,-1, 1}; // v,v1,v2,v3 GLfloat colors2[] = { 1, 1, 1, 1, 1,, 1,,, 1,, 1 }; glenableclientstate(gl_color_array); glenableclientstate(gl_vertex_array); glcolorpointer(3, GL_FLOAT,, colors2); //#components, type, offset, ptr. glvertexpointer(3, GL_FLOAT,, vertices2); gldrawelements(gl_triangles, 4, GL_UNSIGNED_BYTE, indices); //mode, count, type, indices v 1 v gldisableclientstate(gl_vertex_array); gldisableclientstate(gl_color_array); KOBLENZ LANDAU v v

8 Display Listen (siehe CG2) Liste von OpenGL-Anweisungen Wird einmal erstellt (kompiliert) Kann beliebig oft aufgerufen werden und Befehle werden wieder abgespielt Treiber hat die Möglichkeit Optimierungen durchzuführen State-Changes minimieren Liste in Grafikkartenspeicher legen Inhalt der kompilierten Liste kann aber nicht mehr geändert werden! KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 8 -

9 Vertex Buffer Objects Erlauben es, Daten direkt im Speicher der Grafikkarte zu platzieren Zum Zeichnen müssen die Daten nicht mehr an die Grafikkarte übertragen werden Treiber übernimmt Verwaltung der Daten usage flags teilen Treiber mit, wie oft die Daten verändert werden KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 9 -

10 Flags Static: einmal auf die Hardware, für alle weiteren Frames konstant Dynamic: Liste wird pro frame an Hardware übergeben, aber mehrfach verwendet (viele Instanzen von einem z.b. einem Baum) Stream: für jeden frame an Hardware übergeben (z.b. sich verformende Objekte, bewegte Bäume) KOBLENZ LANDAU - 1 -

11 Vertex Buffer Objects - Ablauf Bufferobjekt erzeugen Bufferobjekt mit Daten füllen Zeichnen analog zu Vertex Arrays gldrawarrays( ) oder gldrawelements( ) Mit glmapbuffer( ) / glunmapbuffer( ) kann ein Zeiger auf die Daten erzeugt werden, mit dessen Hilfe diese verändert werden können KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

12 Beispiel GLuint trianglevbo; // 3 Dreiecke float vertices[] = {1.,., 1.,.,., -1., -1.,., 1.}; glgenbuffers(1, &trianglevbo); glbindbuffer(gl_array_buffer, trianglevbo); //Upload vertex data to the video device glbufferdata(gl_array_buffer, sizeof( vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW); glvertexpointer(3, GL_FLOAT,, NULL); glbindbuffer(gl_array_buffer, trianglevbo); glenableclientstate(gl_vertex_array); gldrawarrays(gl_triangles,, 9); KOBLENZ LANDAU

13 Und was soll ich nun verwenden? Immediate Mode: Nie ;-) Vertex Arrays Sinnvoll bei Daten, auf die auch die CPU sehr häufig zugreifen muss Display Listen Im neuen OpenGL-Standard (3.1) als deprecated markiert! Sinvoll bei rein statischen Daten, die von der CPU nie verändert werden VBOs Meiner Meinung nach das Beste aus allem Schnell und flexibel Standard bei OpenGL ES (Handys, Playstation 3, ) KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

14 Depth Peeling Im Framebuffer ist immer das vorderste Pixel zur Kamera zu sehen Depth Peeling erzeugt n Bilder, in denen jeweils das vorderste, zweit-vorderste,, n-vorderste Pixel zu sehen ist KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

15 Depth Peeling Ablauf 1. Schritt (Vordersten Pixel) Szene rendern Tiefenpuffer abspeichern 2. bis n.schritt ( Zweit-vordersten bis n-vordersten Pixel ) Szene rendern Im Pixel Shader den Tiefenwert des aktuellen Fragments mit dem Wert aus dem zuvor gespeicherten Tiefenpuffer vergleichen Nur diejenigen Fragments mit einem größeren Tiefenwert zeichnen Tiefenpuffer für gezeichnete Pixel speichern KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

16 Depth Peeling Bilder Ebene Ebene 1 Demo NVidia SDK Ebene 2 Ebene 3 KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

17 Depth Peeling Komplexität ist linear O(n) Größter Kritikpunkt Speicherverbrauch ist linear Ein Bild pro Schicht Komplexe Szenen bestehen schnell aus 2+ Schichten Anwendungen Transparenzen Ray-Tracing Volumen Rendering Unzählige mehr KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

18 Depth Peeling - Transparenzen Um Transparenzen korrekt darstellen zu können, müssen die Objekte in der richtigen Reihenfolge gezeichnet werden Mit Depth Peeling kann dieses Problem umgangen werden Ablauf Szene depth peelen und jede Schicht (RGBA) in Textur speichern Alpha Blending aktivieren Schichten von hinten nach vorne überlagern Mit Depth Peeling (korrekte Transparenz) KOBLENZ LANDAU Ohne Depth Peeling (inkorrekte Transparenz)) Niklas Henrich

19 Order Independent Transparency - Demo KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

20 Schatten KOBLENZ LANDAU - 2 -

21 Warum Schatten Mit Schatten Höherer Realismus Abstände können besser eingeschätzt werden Warum sind Schatten mit OpenGL kompliziert? OpenGL besitzt lokales Beleuchtungsmodell, d.h. zu einem Zeitpunkt ist immer nur ein Polygon bekannt. Für dieses Polygon wird ein einfaches Beleuchtungsmodell angewendet. Für Schatten müssten alle anderen Polygone bekannt sein Jedes andere Polygon könnte einen Schatten auf das aktuelle Polygon werfen Es gibt kein glenable(gl_shadow) KOBLENZ LANDAU

22 Verschiedene Schattentypen Lightmaps Statische Schatten in Textur Schwarze Flecken unter Spielfigur Schnell und einfach Besser als gar kein Schatten Raytracing Sehr gut, aber langsam KOBLENZ LANDAU

23 Planare Schatten Skalierung y = Nur paralleles Licht von oben Jim Blinn 78: Me and my (fake) shadow Punktlicht an beliebiger Position Eckpunkte Schatten = Schnittpunkt von Gerade durch Eckpunkt und Lichtquelle mit Ebene l (Lichtposition) v (Eckpunkt) v (projizierter Punkt in xz-ebene) KOBLENZ LANDAU

24 KOBLENZ LANDAU Blinn 78 : Me and my (fake) shadow Darstellung als Matrix y y z x y l l l l l M 1 x l x v y x x l x v v l l y y v y l v y x x y y x x l l v v l l v y y y x x y x v l v l v l v y y y z z y z v l v l v l v (analog)

25 KOBLENZ LANDAU Schattenmatrix mit OpenGL y y y z z y y y y x y x y y z y y z y x y x z y x y y z x y v l v l v l v l v l l v l v v l v l v l l v v v v l l l l l glloadidentity(); glulookat(from,at,up); // transform geometry // draw geometry glloadidentity(); glcolor3f(,,); glulookat(from,at,up); glmultmatrix(m); // transform geometry // draw geometry Schatten auf beliebige Ebene: siehe Red Book

26 Richtige Schatten Nur planare Empfängerfläche Keine Selbstverschattung Gängige Verfahren für Schatten Shadow Volumes Shadow Mapping Kein Verfahren ist besser als das andere, beide haben Vor und Nachteile KOBLENZ LANDAU

27 Shadow Volumes Franklin Crow 77 Idee: Schattenvolumen hinter Objekt Alle Objekte im Schattenvolumen sind im Schatten, alles außerhalb nicht Schattenvolumen Konstruktion Schattenvolumen: Finde SiIhouette des Objekts aus Sicht der Lichtquelle und verlängere Silhouette KOBLENZ LANDAU

28 Shadow Volumes Anwendung auf Grafik Hardware (Stencil Buffer) Zeichne Seiten des Schattenvolumens Zähle Schnittpunkte von Betrachter aus mit Schattenvolumen +1 bei Eintritt, -1 bei Austritt -1 Objekte im Schatten haben einen Zählwert > KOBLENZ LANDAU

29 Shadow Volume im 3D Einige Kanten der Geometrie sind Silhouettenkanten (Bild S.Brabec) KOBLENZ LANDAU

30 Silhouettenkanten Voraussetzung 1: Geschlossenes Polygonmodell (2-manifold) l n Silhouettenkante: Ein Polygon ist zur Lichtquelle gedreht, das andere Polygon von der Lichtquelle abgewandt n l n l : zur Lichtquelle gedreht : von der Lichtquelle abgewandt Silhouettentest in Software Datenstruktur für Polygon, jedes Polygon speichert Liste der Nachbarpolygone Die Verlängerung der Silhouettenkanten ergibt die Seiten des Schattenvolumens KOBLENZ LANDAU - 3 -

31 Silhouettenkanten Voraussetzung 2: Konsistente Orientierung der Eckpunkte jedes Polygons (z.b. Vorderseite immer gegen der Uhrzeigersinn) A D n Dreiecke (A,B,C) und (A,D,B) B C (Unendliche) Verlängerung der Silhouettenkanten: Suche Polygon P1, das zur Lichtquelle zeigt Suche Nachbarpolygon P2, das von Lichtquelle abgewandt ist ( v, v1) Falls die Kante als bei P1 eingetragen ist, dann ist ( v, v, v 1, v1) eine korrekt orientierte Seite des Schattenvolumens v v D v 1 C KOBLENZ LANDAU v 1

32 Verlängerung Silhouettenkante Zeichne Viereck ( v, v, v 1, v1) Silhouettenkante v Schattenvolumen soll nicht sichtbar sein: Zeichnen nur im Stencil Buffer v 1 Schattenkante (entsteht durch z-buffer) v KOBLENZ LANDAU v 1

33 Shadow Volume Schritte 1. Geometrie zeichnen 2. Stencil Buffer mit löschen 3. Color Buffer abschalten 4. z-buffer auf Read Only stellen 5. Stencil Buffer so einstellen, daß beim zeichnen eines Polygons die sichtbaren Bereiche um eins erhöht werden Backface Culling aktivieren 7. Schattenvolumen zeichnen (Durch Backface Culling werden nur die Vorderseiten des Schattenvolumens gezeichnet und der Stencil Buffer an diesen Stellen um eins erhöht) KOBLENZ LANDAU

34 Shadow Volume Schritte 8. Stencil Buffer so einstellen, daß beim zeichnen eines Polygons die sichtbaren Bereiche um eins erniedrigt werden 9. Frontface Culling aktivieren 1. Schattenvolumen zeichnen (Nur Rückseiten des Schattenvolumens werden gezeichnet und der Stencil Buffer an diesen Stellen um eins erniedrigt) -1-1 KOBLENZ LANDAU

35 Verlängerung Silhouettenkante Überlagerung: Im Stencil Buffer steht überall im Schattenbereich ein Wert > 11. z-buffer deaktivieren, Color Buffer aktivieren 12. Verwende Stencil Buffer als Maske und zeichne bildschirmfüllendes, schwarzes Rechteck +1 KOBLENZ LANDAU

36 Warum z Buffer Read-Only? Die Seiten des Schattenvolumens werden teilweise von der Geometrie verdeckt -> Schattenkanten entstehen Ohne z-buffer wären z.b. keine Schattenkanten auf dem Boden Falls der z-buffer einfach aktiviert bleibt werden die Rückseiten nicht gezeichnet, da von den Vorderseiten verdeckt -> z-werte dürfen nicht überschrieben werden z-buffer Read-Only: Schatten hat gleichen Tiefenwert wie Geometrie KOBLENZ LANDAU

37 Schattenvolumen von der Seite betrachtet Beispiele Betrachter schaut durchs Schattenvolumen durch: # Eintrittspunkte = # Austrittspunkte Betrachterstrahl bleibt im Schattenvolumen hängen: # Eintrittspunkte > # Austrittspunkte KOBLENZ LANDAU

38 Varianten für hellen Schatten Schnell: Zeichne Szene komplett beleuchtet Generiere Schattenmaske Aktiviere Alpha Blending (SRC_ALPHA, ONE_MINUS_SRC_ALPHA) Zeichne bildschirmfüllendes, schwarzes Rechteck mit Farbe (,,,alpha) Genauer: Zeichne Szene nur mit ambientem Licht Generiere Schattenmaske in Stencil Buffer Zeichne Szene mit diffusem & spekularem Licht (falls Stencil == ) Schatten hat nur ambientes Licht Schatten wird abgedunkelt, falls Stencil > KOBLENZ LANDAU

39 Optimierung bei transformierter Geometrie M M 1 Zur Erkennung, ob ein Polygon zur Lichtquelle zeigt oder abgewandt ist, wird nicht jedes Dreieck mit der Modelview Matrix transformiert, sondern nur einmal die Lichtquelle mit der inversen Modelview Matrix transformiert. Geometrie durch Modelview Matrix M transformiert Lichtquelle durch inverse Modelview Matrix transformiert KOBLENZ LANDAU

40 Probleme mit Shadow Volumes Near Clipping Plane near +1-1 Durch near-clipping Plane fehlt die Vorderseite des Schattenvolumens Zähler ist falsch, statt +1 Abhilfe: near Wert klein wählen Achtung: z-buffer wird ungenau KOBLENZ LANDAU - 4 -

41 Beispiele Shadow Volumes Doom 3 nvidia KOBLENZ LANDAU

42 Vorteile / Nachteile Shadow Volumes Vorteile Scharfe Schattenkanten, kein Aliasing Punktlichtquellen, nicht nur Spots Shadow Volumes Nachteile Datenstruktur für Zusammenhang zw. Polygonen muß aufgebaut werden Nur geschlossene Modelle Langsam bei komplexer Geometrie Aufwändige Suche nach Silhouettenkanten (CPU) Viele Seiten des Schattenvolumens werden gezeichnet, hohe Füllrate erforderlich Problem falls Betrachter im Schatten Zählerüberlauf im (8 Bit) Stencil Buffer möglich KOBLENZ LANDAU

43 Erweiterungen zu Shadow Volumes Weiche Schatten mit mehreren Punktlichtquellen (Brotman & Badler 1984) Offene Modelle, nichtplanare Polygone (Bergeron 1986) Weiche Schattenkanten (Assarson et al ) Shadow Volumes komplett auf der Grafik Hardware (Brabec et al. 23) Reduktion unnötiger Seiten des Schattenvolumens (Lloyd et al 24) KOBLENZ LANDAU

44 Shadow Mapping (Williams 78) Idee: Tiefenwerte aus Sicht der Lichtquelle in Textur speichern Über Vergleich Echter Tiefenwert Tiefenwert aus Textur ermitteln ob Schatten oder nicht Vorstufe: Projektive Texturen (Bild W. Heidrich) KOBLENZ LANDAU

45 Projektive Texturen Ein Projektor wirft ein Bild an die Wand Das Bild soll mit einer Textur dargestellt werden Wie müssen die Texturkoordinaten gesetzt werden? Textur: Soll auf Geometrie projiziert werden,1 1,1 t, s 1, Idee: OpenGL Projektionen verwenden s t r q x y M z 1 Matrix für Umrechnung Weltkoordinate in Texturkoordinate KOBLENZ LANDAU

46 KOBLENZ LANDAU Projektive Texturen Matrixaufbau 1 Matrix LookAt Light Matrix Projection Light z y x q r t s Umrechnung in Projektorkoordinaten glulookat(lightpos, lightat, lightup) Projektionsmatrix gluperspective(lightangle, aspect, near, far) Umrechnung -w..+w nach..w Evtl. Modeling Matrix Division durch 4. Komponente:..w ->..1

47 KOBLENZ LANDAU Projektive Texturen w z y x q r t s Matrix LookAt Light Matrix Projection Light Projektion verändert homogene Koordinate: Echte Texturkoordinaten (s/q, t/q) Tiefe wird gespeichert in r/q

48 Projektive Texturen mit OpenGL float gens[ ] = { 1.f,.f,.f,.f }; glenable( GL_TEXTURE_GEN_S ); gltexgeni( GL_S, GL_TEXTURE_GEN_MODE, GL_EYE_LINEAR ); gltexgenfv( GL_S, GL_EYE_PLANE, gens ); Entsprechend für T,R,Q float gent[ ] = {.f, 1.f,.f,.f }; Texturgenerierung wird aktiviert Texturkoordinate = Eckpunktkoordinate s x t y r z q w OpenGL hat nur planare Projektionen für Texturkoordinaten Projektion nur über Texturmatrix KOBLENZ LANDAU

49 Projektive Texturen mit OpenGL Texturmatrix setzen glmatrixmode(gl_texture); glloadidentity(); gltranslatef(.5f,.5f,.5f); glscalef(.5f,.5f,.5f); gluperspective(lightangle, 1.f, lightnear, lightfar); glulookat(lightfrom[], lightfrom[1], lightfrom[2], lightat[], lightat[1], lightat[2], lightup[], lightup[1], lightup[2]); KOBLENZ LANDAU

50 Shadow Maps Idee: Kamera in Lichtquelle setzen Z-Buffer von Lichtquelle aus in Textur kopieren Projektives Texturmapping mit Tiefentextur Pro Pixel echten Abstand mit Abstand aus Textur vergleichen KOBLENZ LANDAU - 5 -

51 Shadow Maps Kamera in Lichtquelle setzen, z-buffer auslesen Depth-Texture von Lichtquelle aus projizieren Schatten eines Spotlights aus Tiefenwerten bestimmen KOBLENZ LANDAU

52 Shadow Maps ZA: Z Wert in Textur an (s/q, t/q) ZB: Z Wert in Licht Koordinatensystem (r/q) z A z B z A zb za z B P P ist im Schatten P za z B P wird beleuchtet ZA und ZB liegen im Bereich [,1] und sind nicht-linear transformiert KOBLENZ LANDAU

53 KOBLENZ LANDAU Noch mal als Erinnerung. w z y x q r t s Matrix LookAt Light Matrix Projection Light Deshalb gilt: 1. Unter den Texturkoordinaten (s/q, t/q) steht die Pixelposition des Weltpunkts (x,y,z,w) 2. In r/q steht die Tiefe des Weltpunkts (x,y,z,w) in Lichtkoordinaten In der Texturmatrix steht eine Art nachgebaute OpenGL Pipeline: Modelview Projecion Viewport für Textur

54 Tiefenvergleich Genaue Beschreibung: Interpolierte Texturkoordinaten (s/q, t/q, r/q) ermitteln (passiert automatisch) Texturpixel an Stelle (s/q, t/q) auslesen: Tiefenwert aus Sicht der Lichtquelle (ZA) 3. Komponente der Texturkoordinate r/q entspricht dem z- Wert im Koordinatensystem der Lichtquelle (ZB) Vergleich der Tiefenwerte: ZA = ZB : Licht ZA < ZB : Schatten KOBLENZ LANDAU

55 Shadow Map anlegen glgentextures(1, &shadowmapid); glbindtexture(gl_texture_2d, shadowmapid); glteximage2d( GL_TEXTURE_2D,, GL_DEPTH_COMPONENT, shadowmapwidth, shadowmapheight,, GL_DEPTH_COMPONENT, GL_UNSIGNED_BYTE, ); Als FBO attachen KOBLENZ LANDAU

56 Vorher.. void Shadow::activate_mapping(Light *l) { } const GLdouble lightm[] = {.5,.,.,.,.,.5,.,.,.,.,.5,.,.5,.5,.5, 1.}; gltexparameteri(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_COMPARE_MODE_ARB,GL_COMPARE_R_TO_TEXTURE_ARB); gltexparameteri(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_COMPARE_FUNC_ARB, GL_LEQUAL); glmatrixmode(gl_texture); glloadmatrixd(lightm); glmultmatrixd(l->get_proj_matrix()); glmultmatrixd(l->get_model_matrix()); glmatrixmode(gl_modelview); KOBLENZ LANDAU T.Grosch

57 Vertex-Shader varying float Diffuse; //varying vec2 TexCoord; varying vec4 ProjShadow; uniform vec3 LightDirection; void main(void) { vec3 realnorm = gl_normalmatrix * gl_normal; Diffuse = max(dot(-lightdirection, realnorm),.); //TexCoord = gl_multitexcoord; ProjShadow = gl_texturematrix[1] * gl_vertex; gl_position = ftransform(); } KOBLENZ LANDAU T.Grosch

58 Fragment-Shader uniform sampler2dshadow ShadowMap; varying vec4 ProjShadow; varying float Diffuse; void main (void) { color = shadow2dproj(shadowmap, ProjShadow).r; color *= Diffuse; gl_fragcolor = vec4(color, 1); } KOBLENZ LANDAU T.Grosch

59 Selbstverdeckung 1 Pixel in Shadow Map Da die Oberfläche nur an einigen Punkten abgetastet wurde, werden Bereiche der Oberfläche als verdeckt eingestuft Grösserer Abstand zur Lichtquelle Kleinerer Abstand zur Lichtquelle z KOBLENZ LANDAU - 6 -

60 Polygon Offset (Depth Bias) Bei Generierung der Shadow Map wird durch glpolygonoffset der z-wert pro Pixel nach hinten verschoben Die Verschiebung ist abhängig von der Steigung des Polygons z KOBLENZ LANDAU

61 Polygon Offset (Depth Bias) glenable(gl_polygon_offset_fill); Korrektur z-wert vor Eintrag in z-buffer glpolygonoffset(offsetfactor, offsetunits); Um wieviel soll korrigiert werden Die Werte sind Hardware-abhängig! KOBLENZ LANDAU

62 Polygon Offset (Depth Bias) Ohne PolygonOffset Offset zu klein Offset gerade richtig Offset zu groß KOBLENZ LANDAU

63 Beispiele für Shadow Maps Toy Story Echtzeit Luxo Jr. auf Apple Macintosh Steve Jobs 21 Studienarbeit Michael Nikelsky KOBLENZ LANDAU

64 Percentage Closer Filtering (PCF) Aliasing Effekte an den Schattenkanten reduzieren 1 Filter für Schattenrand KOBLENZ LANDAU

65 Percentage Closer Filtering gltexparameteri(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR); gltexparameteri(gl_texture_2d, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR); Direkte Anwendung des Filters auf Tiefenmap macht keinen Sinn, man würde Tiefenwerte interpolieren Stattdessen Tiefenvergleich für umliegende 4 Texturpixel mit Ergebnis oder 1 Die Ergebnisse werden bilinear interpoliert KOBLENZ LANDAU

66 Percentage Closer Filtering KOBLENZ LANDAU

67 Besseres PCF Mit Fragment Program möglich (Bild aus GPU Gems) Standard OpenGL 4 Samples, Jittering 16 Samples KOBLENZ LANDAU

68 Weiche Schatten Bisher immer harte Schattenkanten PCF erzeugt keine echten Halbschatten Unrealistisch, da in der Realität immer ausgedehnte Lichtquellen Ausnahme z.b. Sonnenlicht Kernschatten Halbschatten KOBLENZ LANDAU

69 Weiche Schatten Einfachste Variante: Überlagerung mehrerer harter Schatten Mehrere Punkte auf Lichtquelle auswählen, pro Punkt Shadow Map bestimmen Accumulation Buffer verwenden oder einzelne Schatten über Blending kombinieren KOBLENZ LANDAU - 7 -

70 Verschiedene Anzahl Shadow Maps KOBLENZ LANDAU

71 Post-Perspective Shadow Mapping Idee von Stamminger & Drettakis 2: Kamera in Lichtquelle betrachtet die Szene, aber nach der perspektivischen Division von der Betrachterposition Pixel der Shadow Map sind im Bild überall ungefähr gleich groß KOBLENZ LANDAU

72 Post-Perspective Shadow Mapping Studienarbeit Nico Hempe (Trapezoid Shadow Mapping) KOBLENZ LANDAU

73 Shadow Maps Vorteile Beliebig komplexe Geometrie, bei grossen Modellen i.a. schneller als Shadow Volumes Läuft komplett mit Grafik Hardware Nachteile Aliasing, Schattenkanten eckig Z-fighting, falsche Selbstverschattung Nur Spotlights KOBLENZ LANDAU

74 Shadow Maps Erweiterungen Anti-Aliasing (z Buffer & Schattenkanten) Reeves et al.1987 (PCF) Zhang 1998 (Forward Shadow Mapping) Fernando et al. 2 (Adaptive Shadow Maps) Brabec et al. 22 (Practical Shadow Mapping) Stamminger / Drettakis 22 (Perspective Shadow Maps) Sen et al. 23 (Shadow Silhouette Maps) Weiskopf et al. 23 (Dual Depth Layers) Govindaraju et al. 23 (Shadow Maps für grosse Szenen) Wimmer et al. 24 (Light Space Shadow Maps) Martin et al. 24 (Trapezoidal Shadow Maps) Chan & Durand 24 (Kombination Shadow Maps & Shadow Volumes) Aila & Laine 24 (Alias-Free Shadow Maps) Chong et al. 24 (A Lixel for every Pixel) Arvo et al. 24 (Tiled Shadow Maps) Lloyd et al. 26 (Shadow Map Warping and Partitioning) Weiche Schatten Heidrich et al. (Lineare Lichtquelle) Agrawala et al. 2 (Image Based Shadow Maps) Ying et al. 22 (Area Approximation) Brabec et al. (Single Sample) Chan & Durand 23 (Smoothies) Wyman & Hansen 23 (Penumbra Maps) Arvo et al. 24 (Approximate Soft Shadows) Donnelly et al. 26 (Variance Shadow Maps) Kompression Arvo et al. 24 (Compressed Shadow Maps) KOBLENZ LANDAU

75 Zusammenfassung Projektive Schatten Einfach und schnell ein Schatten auf dem Boden Shadow Volumes Pixelgenaue Schatten, Geometrie geschlossen, Vorverarbeitung Shadow Maps Schnell bei großen Geometrien, aber verschiedene Artefakte KOBLENZ LANDAU