Soya xaritasi - Shadow mapping

Soya xaritasi bilan sahna
Soya bo'lmagan sahna

Soya xaritasi yoki soyani proektsiyalash bu jarayon soyalar ga qo'shiladi 3D kompyuter grafikasi. Ushbu kontseptsiya tomonidan kiritilgan Lens Uilyams 1978 yilda "Egri sirtlarga egri soyalarni quyish" nomli maqolada. O'shandan beri u ko'plab konsollarda va kompyuter o'yinlarida oldindan va real vaqtda sahnalarda ishlatilgan.

Soyalar a yoki yo'qligini tekshirish orqali yaratiladi piksel pikselni a bilan taqqoslash orqali yorug'lik manbasidan ko'rinadi z-bufer[1] yoki chuqurlik a shaklida saqlangan yorug'lik manbai ko'rinishining tasviri to'qima.

Soya va soya xaritasi printsipi

Agar siz yorug'lik manbasidan tashqariga qarasangiz, ko'rishingiz mumkin bo'lgan barcha narsalar nurda paydo bo'lar edi. Biroq, ushbu ob'ektlarning orqasida hamma narsa soyada qolishi mumkin edi. Bu soya xaritasini yaratish uchun ishlatiladigan asosiy printsipdir. Yorug'likning ko'rinishi har bir ko'rgan sirtining (soyaning xaritasi) chuqurligini saqlagan holda namoyish etiladi. Keyinchalik, har bir chizilgan nuqta chuqurligini (ko'zga emas, balki yorug'lik ko'rgandek) shu chuqurlik xaritasi bilan taqqoslab, muntazam sahna ko'rsatiladi.

Ushbu texnikaga qaraganda unchalik aniq emas soya hajmlari, lekin soya xaritasi ma'lum bir dasturda har qanday texnikada qancha vaqtni to'ldirish kerakligiga qarab tezroq alternativa bo'lishi mumkin va shuning uchun real vaqt dasturlariga mos kelishi mumkin. Bundan tashqari, soya xaritalari qo'shimcha foydalanishni talab qilmaydi shablon tampon, va yumshoq qirrasi bo'lgan soyalarni ishlab chiqarish uchun o'zgartirilishi mumkin. Soya hajmlaridan farqli o'laroq, soya xaritasining aniqligi uning o'lchamlari bilan cheklanadi.

Algoritmga umumiy nuqtai

Soyali sahnani ko'rsatish ikkita asosiy rasm bosqichini o'z ichiga oladi. Birinchisi soya xaritasini o'zi ishlab chiqaradi, ikkinchisi esa uni sahnaga qo'llaydi. Amalga oshirilishiga (va chiroqlar soniga) qarab, buning uchun ikki yoki undan ortiq chizilgan o'tish kerak bo'lishi mumkin.

Soya xaritasini yaratish

Yorug'lik ko'rinishidan olingan sahna.
Yorug'lik ko'rinishidagi sahna, chuqurlik xaritasi.

Birinchi qadam sahnani yorug'lik nuqtai nazaridan ko'rsatadi. Nuqtali yorug'lik manbai uchun ko'rinish a bo'lishi kerak istiqbolli proektsiya uning kerakli ta'sir burchagi qadar keng (bu bir xil kvadrat diqqat markazida bo'ladi). Yo'naltirilgan yorug'lik uchun (masalan, dan Quyosh ), an orfografik proektsiya ishlatilishi kerak.

Ushbu renderdan chuqurlik buferi olinadi va saqlanadi. Faqat chuqurlik haqidagi ma'lumotlar dolzarb bo'lganligi sababli, chizilgan vaqtni tejash uchun rang tamponlarini yangilashdan qochish va ushbu render uchun barcha yorug'lik va to'qima hisob-kitoblarini o'chirib qo'yish odatiy holdir. Bu chuqurlik xaritasi ko'pincha grafik xotirada tekstura sifatida saqlanadi.

Ushbu chuqurlik xaritasi har qanday yorug'lik yoki voqea joyidagi narsalar o'zgarganda har doim yangilanishi kerak, ammo boshqa holatlarda, masalan, faqat ko'rish kamerasi harakatlanadigan joylarda qayta ishlatilishi mumkin. (Agar bir nechta chiroq bo'lsa, har bir yorug'lik uchun alohida chuqurlik xaritasidan foydalanish kerak.)

Ko'pgina dasturlarda xaritani qayta chizish uchun zarur bo'lgan vaqtni tejash uchun faqatgina sahnadagi ob'ektlarning bir qismini soya xaritasiga ko'rsatish amaliydir. Ob'ektlarni nurdan uzoqlashtiradigan chuqurlik ofseti, soya xaritasida tasvirni echish uchun qo'llanilishi mumkin. tikish keyingi qadamda chuqurlik xaritasi qiymati chizilgan sirt chuqurligiga (ya'ni soyaning quyilish yuzasiga) yaqin bo'lgan muammolar. Shu bilan bir qatorda, ba'zida shunga o'xshash natija uchun oldingi yuzlarni yo'q qilish va faqat soyaning xaritasiga ob'ektlarning orqa tomonini ko'rsatish qo'llaniladi.

Sahnani soyalash

Ikkinchi qadam odatdagidan sahnani chizishdir kamera soya xaritasini qo'llagan holda, nuqtai nazar. Ushbu jarayon uchta asosiy tarkibiy qismga ega, birinchisi, ob'ektning koordinatalarini nurdan ko'rinib turgan holda topish, ikkinchisi - bu chuqurlik xaritasi bilan koordinatani taqqoslaydigan test va nihoyat, amalga oshirilgandan so'ng, ob'ekt chizilgan bo'lishi kerak soya yoki nurda.

Yorug'lik koordinatalari

Voqea joyiga prognoz qilingan chuqurlik xaritasini ingl

Nuqtani chuqurlik xaritasi bilan sinab ko'rish uchun uning sahna koordinatalaridagi o'rni yorug'lik ko'rgan ekvivalent holatiga o'tkazilishi kerak. Bu a tomonidan amalga oshiriladi matritsani ko'paytirish. Ob'ektning ekrandagi joylashuvi odatdagidek belgilanadi koordinatali transformatsiya, lekin ob'ektni yorug'lik kosmosida topish uchun ikkinchi koordinatalar to'plamini yaratish kerak.

Dunyo koordinatalarini yorug'likni ko'rish koordinatalariga aylantirish uchun ishlatiladigan matritsa, birinchi bosqichda (ostida ostida) soya xaritasini ko'rsatish bilan bir xil. OpenGL bu model ko'rish va proektsiya matritsalarining hosilasi). Bu to'plamni ishlab chiqaradi bir hil koordinatalar bu istiqbolli bo'linishga muhtoj (qarang 3D proektsiya ) bolmoq normalizatsiya qilingan qurilma koordinatalari, unda har bir komponent (x, y, yoki z) -1 va 1 oralig'ida tushadi (agar u yorug'lik ko'rinishidan ko'rinadigan bo'lsa). Ko'p dastur (masalan, OpenGL va Direct3D ) qo'shimcha talab qiladi miqyosi va noaniqligi −1 dan 1 gacha bo'lgan qiymatlarni 0 dan 1 gacha xaritalash uchun matritsalarni ko'paytirish, bu chuqurlik xaritasini qidirish uchun odatiy koordinatalardir. Ushbu masshtabni istiqbolli bo'linishdan oldin amalga oshirish mumkin va ushbu matritsani quyidagilar bilan ko'paytirish orqali avvalgi transformatsiya hisobiga osongina qo'shiladi:

Agar bilan bajarilgan bo'lsa shader yoki boshqa grafik apparat kengaytmasi, bu konvertatsiya odatda tepalik darajasida qo'llaniladi va hosil bo'lgan qiymat boshqa tepalar o'rtasida interpolyatsiya qilinadi va fragment darajasiga o'tkaziladi.

Chuqurlik xaritasini sinash

Chuqurlik xaritasi sinovlarida xatoliklar.

Yorug'lik-kosmik koordinatalari topilgandan so'ng, x va y qiymatlar odatda chuqurlik xaritasi tarkibidagi joyga va z qiymati unga bog'liq bo'lgan chuqurlikka mos keladi, endi uni chuqurlik xaritasi bo'yicha tekshirish mumkin.

Agar z qiymat chuqurlik xaritasida tegishli qiymatda saqlangan qiymatdan katta (x,y) joylashuvi, ob'ekt tiqilib qolgan narsaning orqasida deb hisoblanadi va a sifatida belgilanishi kerak muvaffaqiyatsizlik, rasm chizish jarayonida soyada chizish uchun. Aks holda uni yoritib chizish kerak.

Agar (x,y) joylashuv chuqurlik xaritasidan tashqariga tushib qolsa, dasturchi sukut bo'yicha sirt yoritilishi yoki soyalanishi kerakligi to'g'risida qaror qabul qilishi kerak (odatda yonadi).

A shader amalga oshirish, ushbu sinov fragment darajasida amalga oshiriladi. Bundan tashqari, apparat tomonidan ishlatilishi kerak bo'lgan tekstura xaritasini saqlash turini tanlashda ehtiyot bo'lish kerak: agar interpolatsiya qilish imkoni bo'lmasa, soyaning keskin qirrasi paydo bo'ladi (effektni soyaning xaritasi kattaroq o'lchamlari bilan kamaytirish mumkin) ).

Chuqurlik xaritasi sinovini shunchaki o'tib ketishi yoki bajarilmasligi o'rniga (soyaning chetiga yaqinligiga qarab) bir qator qiymatlar yordamida yumshoq qirrali soyalarni ishlab chiqarish uchun o'zgartirish mumkin.

A ning ta'sirini simulyatsiya qilib, yoritilgan hududlarga tekstura chizish uchun soya xaritalash texnikasi ham o'zgartirilishi mumkin proektor. Yuqoridagi rasm, "sahnada proektsiyalangan chuqurlik xaritasini vizualizatsiya qilish" deb yozilgan, bunday jarayonning namunasi.

Sahnani chizish

Atrofdagi soyalar bilan yakunlangan so'nggi sahna.

Sahnani soyalar bilan chizish bir necha xil usullar bilan amalga oshirilishi mumkin. Agar dasturlashtiriladigan bo'lsa shaderlar mavjud bo'lsa, chuqurlik xaritasi sinovi ob'ektni shunchaki soyada tortadigan yoki natijaga qarab yoritilgan qismni shader tomonidan amalga oshirilishi mumkin, natijada sahnani bitta o'tishda chizish (soya xaritasini yaratish uchun avvalgi o'tishdan keyin).

Agar shaderlar mavjud bo'lmasa, chuqurlik xaritasi sinovini o'tkazish odatda ba'zi qo'shimcha kengaytmalar tomonidan amalga oshirilishi kerak (masalan GL_ARB_soya ), bu odatda ikkita yoritish modelini tanlashga imkon bermaydi (yoritilgan va soya ostida) va ko'proq ko'rsatuv pasportlarini talab qiladi:

  1. Barcha sahnani soyada ko'rsating. Eng keng tarqalgan yoritish modellari uchun (qarang Fonni aks ettirish modeli ) bu texnik jihatdan faqat yorug'likning atrof-muhit komponentidan foydalangan holda amalga oshirilishi kerak, ammo bu odatda egri sirtlarning soyada tekis ko'rinishini oldini olish uchun xiralashgan nurni o'z ichiga olgan holda sozlanadi.
  2. Chuqurlik xaritasi sinovini yoqing va sahnani yoqing. Chuqurlik xaritasi sinovi muvaffaqiyatsiz bo'lgan joylar yozilmaydi va soyada qoladi.
  3. Har bir qo'shimcha yorug'lik uchun qo'shimcha o'tish joyidan foydalanish mumkin qo'shimchalarni aralashtirish ularning ta'sirini allaqachon chizilgan chiroqlar bilan birlashtirish. (Ushbu o'tish joylarining har biri tegishli soya xaritasini yaratish uchun qo'shimcha oldingi o'tishni talab qiladi.)

Ushbu maqoladagi misol rasmlari OpenGL kengaytma GL_ARB_shadow_ambient soya xaritasi jarayonini ikki pasda bajarish.

Soya xaritasini real vaqtda amalga oshirish

Soya xaritasini real vaqt rejimida xaritalashning asosiy kamchiliklaridan biri shundaki, soya xaritasining hajmi va chuqurligi so'nggi soyalar sifatini belgilaydi. Bu odatda quyidagicha ko'rinadi taxallus yoki soya uzluksizligi nosozliklari. Ushbu cheklovni engib o'tishning oddiy usuli bu soya xaritasi hajmini oshirishdir, ammo xotira, hisoblash yoki apparat cheklovlari tufayli har doim ham imkoni bo'lmaydi. Ushbu cheklovni chetlab o'tish uchun real vaqt rejimida soya xaritasini yaratish uchun tez-tez ishlatiladigan texnikalar ishlab chiqilgan. Ular orasida kaskadli soya xaritalari,[2] Trapezoidal soya xaritalari,[3] Yorug'lik maydoni istiqbolli soyaning xaritalari,[4] yoki Parallel-Split Shadow xaritalari.[5]

Shunisi e'tiborga loyiqki, hosil bo'lgan soyalar, hatto yumshoq bo'lsa ham, qattiq qirralarga ega, bu har doim ham istalmagan. Haqiqiy dunyodagi yumshoq soyalarni taqlid qilish uchun soya xaritasida bir nechta qidiruvlarni o'tkazish, yumshoq chekka taqlid qilish uchun mo'ljallangan geometriyani yaratish yoki nostandart chuqurlikdagi soyalar xaritalarini yaratish orqali bir nechta echimlar ishlab chiqildi. Ularning diqqatga sazovor misollari - foizlarni yaqinroq filtrlash,[6] Smoothies,[7] va Variance Shadow xaritalari.[8]

Soyalarni xaritalash texnikasi

Oddiy

  • SSM "Oddiy"

Bo'linish

Warping

Yumshoq

Filtrlash

Yumshoq soyalar

Turli xil

Turli xil

  • Soya chuqurligi xaritalari (SDM)[9]
  • Perspektivli soyalar xaritalari (PSM)
  • Yorug'lik maydoni istiqbolli soya xaritalari (LSPSMs)
  • Kaskadli soya xaritalari (CSM)[10]
  • Variant soyasi xaritalari (VSM)[11]

Shuningdek qarang

Qo'shimcha o'qish

Adabiyotlar

  1. ^ Akenine-Mo Aler, Tomas; Xeyns, Erik; Xofman, Natiy (2018-08-06). Haqiqiy vaqtda taqdim etish, to'rtinchi nashr. CRC Press. ISBN  978-1-351-81615-1.
  2. ^ "Kaskadli soya xaritalari" (PDF). NVidia. Olingan 2008-02-14{{mos kelmagan iqtiboslar}} Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)
  3. ^ Tobias Martin; Tiow-Seng Tan. "Trapetsiyali soya xaritalari bilan yumshatishga qarshi va uzluksizlik". Olingan 2008-02-14. Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)
  4. ^ Maykl Vimmer; Daniel Sherzer; Verner Purgathofer. "Yorug'lik kosmik istiqbolli soya xaritalari". Olingan 2008-02-14. Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)
  5. ^ Fan Chjan; Xanqiu Sun; Oskari Nyman. "Dasturlashtiriladigan grafik protsessorlarda parallel ravishda bo'linadigan soya xaritalari". GPU toshlari 3. Arxivlandi asl nusxasi 2010 yil 17 yanvarda. Olingan 2008-02-14.
  6. ^ "Soya xaritasi antialiasing". NVidia. Olingan 2008-02-14.
  7. ^ Erik Chan, Fredo Durand, Marko Korbetta. "Smoothies bilan soxta yumshoq soyalarni ko'rsatish". Olingan 2008-02-14. Iqtibos jurnali talab qiladi | jurnal = (Yordam bering)CS1 maint: bir nechta ism: mualliflar ro'yxati (havola)
  8. ^ Uilyam Donnelli; Endryu Lauritsen. "Variant soyasi xaritalari". Olingan 2008-02-14.
  9. ^ http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ee416324(v=vs.85).aspx
  10. ^ http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ee416307(v=vs.85).aspx
  11. ^ http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=1111411.1111440

Tashqi havolalar