3D Programmierpraktikum: Schattenberechnung in Echtzeit
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- Innozenz Bäcker
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1 3D Programmierpraktikum: Schattenberechnung in Echtzeit Praktikum 3D Programmierung Sebastian Boring, Otmar Hilliges Donnerstag, 20. Juli 2006 LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 1 Agenda Der Stencil-Buffer Der 1-bit Stencil-Buffer Der 8-bit Stencil-Buffer Volmetrische Echtzeitschatten Soft-Shadows Reflexionen Weitere Anwendungen LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 2 Programmierung - SS
2 Der Stencil-Buffer Weiterer Buffer der Grafikkarte, neben Tiefen- und Framebuffer Stencil-Werte werden zusammen mit den Tiefenwerten gespeichert Stencil bedeutet Schablone, d.h. einzelnen Pixeln des Bildes können bestimmte Werte gegeben werden (Notizzettel) LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 3 Der Stencil-Buffer OpenGL-Funktionen: gl{enable Disable}(GL_STENCIL_TEST); glclearstencil(glint s); glstencilmask(gluint mask); glstencilfunc(glenum func, GLint ref, GLuint mask); glstencilop(glenum fail, GLenum zfail, GLenum zpass); Weitere Informationen zu den Funktionen: OpenGL Reference Page: LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 4 Programmierung - SS
3 Der 1-bit Stencil-Buffer Zwei mögliche Zustände: 0 und 1, z.b. sichtbar vs. unsichtbar Mögliche Anwendung: Masken-Effekt LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 5 Der 1-bit Stencil-Buffer Weitere Vorteile des 1-bit Stencil-Buffers: Unnötige Arbeit verhindern: Feste Bereiche im Bild nicht bei jedem Frame neu berechnen Entlastet die Hardware Beispiel: Siehe Folie 5 Fade-Effekt zweier bewegter Szenen: Sinnvoll bei Animationen (selten bei Spielen) Sichtbares Bild hat alle Stencil-Werte auf 1, unsichtbares auf 0 Übergang zwischen beiden Bildern durch Vertauschen einzelner Stencil-Werte zwischen beiden Bildern LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 6 Programmierung - SS
4 Der 8-bit Stencil-Buffer Ermöglicht 256 Unterschiede pro Pixel, statt der 2 beim 1-bit Buffer Üblicherweise werden die 8 Bit auf verschiedene Effekte aufgeteilt: 1 Bit für den Maskierungseffekt 4 Bits für die Schattenberechnung Restliche Bits für einen weiteren Effekt Mögliche Effekte: Volumetrische Schatten Reflexionseffekte LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 7 Erfolgt meist am Schluss der Rendering- Pipeline, d.h. wenn alles fertig gerendert und texturiert ist Benötigte Parameter: z-wert jedes Pixels im Tiefen-Buffer Standort der Lichtquelle Vorgang: Betrachten des Tiefen-Buffers aus Sicht der Lichtquelle und nicht von der Kameraposition LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 8 Programmierung - SS
5 Schatten beginnen an den Kanten eines Objekts und folgen der Gerade, die von der Lichtquelle ausgeht Beispiel (Schattendreiceke): LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 9 Nun folgt die Tiefenwert-Berechnung der Dreiecke Test, ob die Pixel im Frame- Buffer innerhalb dieser Schattenzone liegen Liegen diese innerhalb, werden die entsprechenden Stencil-Bits erhöht Nun blendet man ein abgedunkeltes Viereck über die gerenderte Szene Dieses Viereck ist nur an den Stellen sichtbar, an denen Stencil-Flags sind LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 10 Programmierung - SS
6 Veranschaulichung: LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 11 Weitere Form der Schattenberechnung mit dem Stencil-Buffer: Entsprechende (markierte) Pixel neu rendern Material- und Nebeleffekte wirken besser Etwas aufwendigerer Ansatz, aber auf moderner Hardware immernoch sehr schnell LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 12 Programmierung - SS
7 Neuer Ansatz: Szene untexturiert und unschattiert rendern Nur Tiefenwerte speichern und Schattendreiecke bestimmen Mit Stencil-Bit markierte Bereiche mit deaktivierten Lichtquellen berechnen Nicht-markierte Bereiche mit aktivierten Lichtquellen berechnen Liefert beste Resultate, ist aber auch am aufwendigsten LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 13 Alle Verfahren funktionieren am besten, solange das Objekt einfach gehalten ist In Spielen wird daher die einfachste Variante des entsprechenden Objekts gewählt, falls mehrere verfügbar sind Volumetrischer Echtzeitschatten Standardschatten als grauer Fleck LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 14 Programmierung - SS
8 Soft-Shadows Reine Echtzeitschatten sind nicht realistisch genug Schatten besitzen normalerweise keine kantigen Ränder Verlauf Ansatzweise sind Soft-Shadows durch den Stencil-Buffer realisierbar LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 15 Soft-Shadows Verfahren: Zusätzlich größeres Schattendreieck mit höherem Transparenzwert berechnen Dieses Schattendreieck über das originale Schattendreieck legen Funktioniert nur bei Schattenwürfen auf Böden und Mauern Weitere Möglichkeit: Minimale Verschiebung der Lichtquelle und Ändern des Transparenzwerts und jeweils eine Neuberechnung der Szene LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 16 Programmierung - SS
9 Soft-Shadows Beispiel: Vergleich von Echtzeitschatten und Soft-Shadows Approximierte Soft-Shadows LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 17 Reflexionen Stencil-Buffer ist ein hilfreiches Mittel für Reflexionen Objekte spiegeln sich eventuell nciht an allen Oberflächen Es werden daher nur Polygone markiert, die auch reflektieren sollen LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 18 Programmierung - SS
10 Weitere Anwendungen Verhinderung von Polygonflackern (z- Fighting), d.h. Co-planare Dreiecke flackern nicht Leucht-Effekt (Halo): Objekt wird mit Stencil-Buffer gezeichnet, vergrößert und dort halbtransparent gezeichnet, wo keine Stencil-Werte gesetzt sind LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 19 Literatur OpenGL Reference Page: GLUT Man Pages: GLUT Man Pages: LMU München Medieninformatik Boring/Hilliges 3D Programmierpraktikum SS Folie 20 Programmierung - SS
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