HLSL PostProcess Shaders

Transkript

1 HLSL Advanced 1 HLSL PostProcess Shaders Einführung PostProcess Effekte werden erst nach dem Rendern aller Objekte angewandt, nämlich auf das Render-Target (daher der Name). Das Spektrum der Möglichkeiten reicht von einfachen Farbfiltern (z.b. Sepia) bis hin zu doch recht aufwändigen Bewegungsunschärfeeffekten. Anstatt den Shader direkt auf das Render-Target in Vollbildgrösse anzuwenden, sollte man das Render-Target mit einem Filter herunterskalieren (Down-Sampling) und in einer Textur von beispielsweise einem sechszehntel der Originalgrösse zwischenspeichern. Auf diese herunterskalierte Textur können dann beliebig viele Shader angewandt werden. Damit spart man eine Menge Rechenzeit und das Endergebnis ist in etwa dasselbe. Die folgende Darstellung veranschaulicht die Funktionsweise: Abb. 1: Funktionsweise von PostProcess Effekten Das Ganze jetzt noch am Beispiel eines einfachen Blur-Shaders betrachtet: - Zuerst wird die ganze Szene in den Back-Buffer gerendert. - Nun muss der Back-Buffer in eine Textur mit denselben Abmessungen kopiert werden. Dies geschieht mittels der Funktion StretchRect, die über das Direct3D-Device aufgerufen wird. - In einem nächsten Schritt setzt man die eben gefüllte Textur für einen Shader, der die Farbwerte herunterrechnet. Die Ausgabe des Shaders wird in einer Textur mit viermal kleineren Kantenlängen gespeichert. Dies geschieht ganz einfach, indem man die kleine Textur ( 1 / 16 Back- Buffer-Grösse) als Render-Target für das Device setzt.

2 HLSL Advanced 2 - Momentaner Stand: eine Vollbild- und eine verkleinerte Textur, beide mit demselben Inhalt. Die Textur mit den Abmessungen des Back-Buffers wird im Folgenden nicht mehr verändert. Wenn wir mehr als einen Shader auf die verkleinerte Textur anwenden möchten (was ja der Fall ist), dann brauchen wir auf jeden Fall zwei Render-Targets, welche abwechslungsweise gesetzt werden können. Also erstellen wir eine noch eine dritte Textur (ebenfalls 1 / 16 Back-Buffer- Grösse) und setzen diese gerade als Render-Target. - Nun kommt der Blur-Shader zum Einsatz: Die Farbwerte werden aus der kleinen Textur gelesen, entsprechend verändert, und anschliessend eben in der dritten Textur abgespeichert. - Jetzt werden Render-Target und Quelltextur für den Shader gerade vertauscht: Die eben vom Shader veränderte Textur dient als Quelle für den nächsten Shader und die ehemalige Quelltextur wird nun ja nicht mehr benötigt und kann als Render-Target gesetzt werden. - Sind alle Shader durch, so werden die Vollbild- und die verkleinerte Textur, die als letztes als Render-Target diente, mit Hilfe eines weiteren Shaders zusammengeblendet (Texture- Lookups). Weshalb denn in den Back-Buffer rendern und nicht gleich in eine Textur? Eine Textur als Render- Target unterstützt kein Multisampling (Anti-Aliasing)! Natürlich könnte man, je nach dem, ob der Benutzer Kantenglättung wünscht oder nicht, von Anfang an in die Textur rendern, sodass der Kopiervorgang von Back-Buffer zu Textur wegfällt. Depth of Field (Tiefenunschärfe) Dies ist ein Effekt, der den Realismus eines Grafikprogramms wesentlich erhöht. Wie in der Natur auch, erscheinen weit entfernte Objekte leicht verschwommen, ebenso sehr nahe Objekte. Es ist komisch, wenn alle Objekte, egal wie weit sie vom Betrachter entfernt sind, genau gleich scharf gezeichnet werden. Also definiert man drei Ebenen: - Near Plane: alle Objekte, die sich hinter dieser Ebene befinden, werden völlig unscharf dargestellt - Focal Plane: alle Objekte, die sehr nahe bei dieser Ebene sind, sollen scharf gerendert werden. - Far Plane: Alle Objekte, die sich hinter der fernen Ebene befinden, werden völlig unscharf dargestellt. Zwischen Near und Focal Plane sowie zwischen Focal und Far Plane wird eine Interpolation durchgeführt.

3 HLSL Advanced 3 Abb. 2: Tiefeninformationen als 8-bit Graustufenwert Die folgende Funktion liefert den Faktor für die Interpolation, also einen Wert zwischen null und eins. Hinweise: Die Variable Distance ist nichts anderes als der z-wert der Vertexposition in View-Space. Die Ebenen können mit einem einzigen float-wert, welcher die Entfernung zur Kamera angibt, definiert werden, denn der normalisierte Blickrichtungsvektor bildet gerade den Normalenvektor der Ebene. float BlurFactor; if (Distance < g_focalplane) { // zwischen der Near Plane und Focal Plane BlurFactor = (Distance - g_focalplane) / (g_focalplane - g_nearplane); } else { // zwischen Focal Plane und Far Plane BlurFactor = (Distance - g_focalplane) / (g_farplane - g_focalplane); } // nur positive Werte BlurFactor = saturate(abs(blurfactor)); Der nun berechnete Faktor könnte im Alphakanal des Render-Targets abgespeichert werden. Ein anderer Ansatz ist beispielsweise die Verwendung einer separaten Textur für diesen Wert. Dann ist auch genügend Spielraum für Erweiterungen vorhanden. Will man z.b. zusätzlich zur Tiefe auch noch die Geschwindigkeit jedes einzelnen Pixels speichern (für Motion Blur), kann man diese Information ganz einfach im zweiten Farbkanal (grün) unterbringen. Ich würde empfehlen, jedes Objekt zweimal zu rendern. Einmal ganz gewöhnlich in den Back-Buffer, das zweite mal eben in diese Tiefentextur (wobei wir ja nur den rot-kanal belegen). Das hat den Vorteil, dass unabhängig vom DOF-Shader auch andere Vertex- und Pixel-Shader auf die Objekte angewendet werden können. Als erstes wird die ganze Szene in den Back-Buffer kopiert, dann in eine Fullscreen-Textur kopiert und mittels eines Down-Sampling-Shader (wie oben bereits beschrieben) eine viermal kleinere Textur

4 HLSL Advanced 4 erstellt ( 1 / 16 Grösse). Im DOF-Shader wird dann der Farbwert aus der grossen und aus der kleinen Textur gelesen. Mittels des Faktors, den wir oben berechnet haben, werden diese beiden Texturen zusammengeblendet. Die Formel entspricht der der vordefinierten Funktion lerp: Color FullscreenTexture + Factor Dof (Color SmallTexture Color FullscreenTexture ) Abb. 3: Der DOF-Shader im Einsatz (Fokus auf dem mittleren Objekt) Hinweise Tiefenunschärfen sehen zwar wirklich toll aus, aber ein Blick auf die Framerate verrät uns, dass diese Technik doch relativ hohe Anforderungen an die Hardware stellt. Man sollte sich dessen im Klaren sein und den DOF-Effekt daher nur dann einsetzen, wenn es sich wirklich lohnt (z.b. beim Terrain- Rendering). Wenn man dem Tiefenpuffer 8 Bits pro Farbkanal zur Verfügung stellt, reicht das gerade für 256 verschiedene Tiefenwerte. Deshalb empfehle ich, ein so genanntes Floating-Point Format zu verwenden (z.b. D3DFMT_R16F). Damit hat jeder Farbkanal 16 oder sogar 32 Bits zur Verfügung, was einem Spektrum von mehr als 65'000 respektive 4 Milliarden verschiedenen Werten entspricht.

5 HLSL Advanced 5 Weitere Techniken kurz erklärt Motion Blur (Bewegungsunschärfe) Nicht nur mit zunehmender Tiefe werden Objekte unscharf, sondern auch mit zunehmender Geschwindigkeit. Die Bewegungsunschärfe nennt man Motion Blur. Die Funktionsweise ist relativ einfach. Wie bei der Tiefenunschärfe wird die Szene in eine verkleinerte Textur kopiert und geblurt. Anstatt nun aber in einem separaten Durchgang die Tiefe in einen Puffer zu rendern, wird der Geschwindigkeitsvektor jedes einzelnen Pixels berechnet und als Farbe in ein Render-Target geschrieben. Im PostProcess-Shader wird dann die kleine geblurte Textur mit der Szene in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Pixels vermischt. Abb. 4: Motion Blur Bloom oder Glow Diese Technik verleiht den Objekten einen hellen Schein. Die Implementierung ist relativ einfach: - Szene in eine Fullscreen-Textur rendern - Fullscreen-Textur herunterskalieren und zwischenspeichern - einen Gaussian-Blur-Shader auf die verkleinerte Textur anwenden und die Farbwerte mit einem Faktor erhöhen - geblurte und normale Textur zusammenblenden

6 HLSL Advanced 6 Abb. 5: Bloom-Shader High Dynamic Range (HDR) Bis vor kurzem hatten Pixel maximal 24-bit Farbwerte, also acht Bit pro Kanal (RGB) und weitere acht Bit für den Alphakanal. Damit lassen sich rund 16.7 Millionen verschiedene Farben darstellen, das menschliche Auge kann aber nur wenige tausend Farbtöne unterscheiden, dafür aber extreme Helligkeitsunterschiede von bis zu 1000 : 1 (selbst die Farbe des Sonnenlichts können wir von der Farbe des künstlichen Lichts unterscheiden). Solche Helligkeitsunterschiede lassen sich aber mit den herkömmlichen 24 Bits nicht darstellen. Der Dynamikumfang, damit meint man den Unterschied zwischen dem hellsten und dunkelsten Farbwert, beträgt bei LDR (Low Dynamic Range) mit den 8-Bit- Kanälen gerade mal 1.0 resp Eine Technik namens HDR (High Dynamic Range) soll genau diese Lücke stopfen. Mit der HDR-Technik können Pixel nun grössere Farbwerte als 1.0 resp. 255 annehmen und somit lassen sich extreme Helligkeitsunterschiede besser darstellen. Da als Render- Target eine so genannte Floating-Point-Textur dient, stehen jedem Farbkanal 16 bis 32 Bits zur Verfügung, das entspricht einem Dynamikumfang von resp. von mehr als 4 Milliarden. Diese relativ neue und geniale Technik ist schon heute ein Pflichtfeature für jedes Computerspiel oder Grafikdemo. Für ganz Fleissige: Im Sample Browser des DirectX SDK gibt es ein Beispiel zu HDR-Lighting, das kann ich nur empfehlen.

7 HLSL Advanced 7 Quellenverzeichnis Literaturverzeichnis Microsoft DirectX SDK 9 Documentation: PostProcess Sample ATI Render Monkey 1.6: Depth Of Field Advanced Abbildungsverzeichnis Abb. 1 5: eigene Screenshots und Grafiken Copyright 2005 by Reto Da Forno Irrtümer vorbehalten