Deferred shading jako wydajna technika oświetlenia

1. Deferredshading jako wydajna technika oświetlenia Wojciech Toman

2. Omawiane zagadnienia • Dotychczasowe podejście do oświetlenia • Idea deferredshadingu • Typowe problemy wraz z propozycjami rozwiązania • Optymalizacja wydajności • Integracja z modułem renderującym • Podsumowanie

3. Deferredshading jako wydajna technika oświetlenia Dotychczasowe podejście

4. Dotychczasowe podejście • Renderowanie świateł z użyciem wielu przebiegów renderingu: • Duża złożoność czasowa: O(liczba_świateł * liczba_obiektów) • Brak możliwości uzyskania dobrego batchingu (sortowanie po światłach lub geometrii) – częste przełączanie shaderów i stanów urządzenia • Wniosek: na geometrię wpływa tylko część świateł

5. Dotychczasowe podejście • Uniwersalne shadery: • 1 przebieg renderingu • Inne zachowanie shaderów dla 1, 2, …, n świateł i wszystkich przewidzianych kombinacji modeli oświetlenia • Długi, nieczytelny kod shadera • Konieczność stosowania branchingu bądź makr • Nieelastyczność – ciężko dodać nowe światło • Przyzwoity batching przy sortowaniu po materiałach

6. Deferredshading jako wydajna technika oświetlenia Idea deferredshadingu

7. Idea deferredshadingu • Rozbicie renderingu na dwie fazy: • Geometrii • Oświetlenia

8. Faza geometrii • Właściwości geometryczne sceny 3D są renderowane do kilku rendertargetów • Render-targety te noszą nazwę G-Bufora (ang. G-Buffer), bufora geometrii • Użycie mechanizmu MRT (ang. MultipleRender Target) • Zwykle duża głębia dla zachowania precyzji przechowywanych danych

9. Faza geometrii • Renderowane dane • Kolor rozpraszania • Wektory normalne • Informacje o położeniu pikseli • Specular • Glow • Ambient-term • Itd.

10. Faza geometrii • Wiele właściwości materiału jest stałych w ramach powierzchni • Zastosowanie bufora materiałów • Tekstura zawierająca potrzebne dane, w której każdy wiersz odpowiada innemu materiałowi • Tablica stałych shadera • Wniosek: jednym z atrybutów zapisywanych w G-Buforze jest indeks materiału

11. Przykład zawartości G-Bufora Kolor rozpraszania

12. Przykład zawartości G-Bufora Wektory normalne w przestrzeni widoku

13. Przykład zawartości G-Bufora Odwrotność głębokości pikseli w przestrzeni widoku

14. Faza oświetlenia • Dekodowanie danych zawartych w G-Buforze • Obliczenia zgodnie z przyjętym modelem oświetlenia • Dowolny, zależy tylko od użytego shadera • Rendering prostokąta z włączonym blendingiem addytywnym dla każdego światła • Wniosek: liczba źródeł światła teoretycznie jest nieograniczona

15. Przykład oświetlonej sceny światło

16. Przykład oświetlonej sceny Kilka kolorowych świateł punktowych wykorzystujących specular

17. Przykład oświetlonej sceny Kilka kolorowych świateł punktowych wykorzystujących specular oraz atmosphericscaterring

18. Deferredshading jako wydajna technika oświetlenia Problemy

19. Problemy – Anti-aliasing • MRT nie wspiera sprzętowego anti-aliasingu • Wszystkie obliczenia wykonywane są w przestrzeni ekranu – brak informacji o krawędziach • Rozwiązania • Akceptacja problemu – kompromis pomiędzy jakością a wydajnością renderingu • Over-sampling – rendering obrazu do rendertargetów o rozdzielczości przekraczającej rozdzielczość widoku • Własny filtr post-process – wykrywanie krawędzi a później ich wygładzenie • W DirectX 10 możliwy dostęp bezpośrednio do próbek MSAA – możliwość przeprowadzenia anti-aliasingu w oparciu o dowolny wzorzec

20. Anti-aliasing w DirectX 9.0c Filtr wykrywający krawędzie

21. Anti-aliasing w DirectX 9.0c Brak anti-aliasingu Włączony anti-aliasing

22. Anti-aliasing w DirectX 9.0c Brak anti-aliasingu Włączony anti-aliasing

23. Problemy – Alpha-blending • Alpha-blending jest koszmarem! • Standardowe podejście nie działa • Istniejące rozwiązania mają liczne wady • Rozwiązania • Rendering wszelkich półprzezroczystych obiektów po narysowaniu pozostałych • Depth-peeling lub A-Buffer (praktycznie tylko w przypadku DirectX 10)

24. Problemy – Fill-ratebound • Wszystkie rendertargety zwykle odpowiadają rozdzielczości ekranu • Wiele odczytów i zapisów do tekstur • Rozwiązanie • Nierysowanie całoekranowych prostokątów • Scissor-test – wykonywany dużo wcześniej niż na konceptualnym diagramie w DirectX SDK – możliwość odrzucenia całych fragmentów przed wykoniem pixel shadera • Stencil-test (uruchamiany później) – pixelshader musi być wykonany, a zatem test jest mniej przydatny

25. Problemy – Fill–ratebound Diagram konceptualny DirectX SDK 9.0c

26. Problemy – Fill-ratebound • Scissor-test • Zwykła projekcja świateł do przestrzeni ekranu może wygenerować zbyt duże prostokąty oraz artefakty związane z umiejscowieniem kamery w bryle otaczającej światła • Alternatywa: zastosowanie algorytmu zaproponowanego przez Lengyela

27. Problemy – Fill-ratebound • Algorytm Lengyela • Konstrukcja czterech płaszczyzn przechodzących przez punkt, w którym umieszczona jest kamera i stycznych do bryły otaczającej światła • Wyznaczenie przecięcia płaszczyzn z płaszczyzną obrazu • Punkty przecięcia to szukane współrzędne prostokąta dla scissor testu

28. Deferredshading jako wydajna technika oświetlenia Optymalizacja wydajności

29. Optymalizacja wydajności • Sumowanie wpływu świateł • Odrzucanie świateł, które w małym stopniu wpływają na wygląd sceny • Pakowanie • Wektory normalne – jeśli obliczenia wykonywane są w przestrzeni widoku to wszystkie trójkąty front-faced mają ten sam znak, a back-faced – przeciwny • Możliwe jest zastosowanie twierdzenia Pitagorasa - przechowywanie tylko 2 współrzędnych • Zamiast całego wektora położenia przechowywanie jedynie długości wektora położenia w przestrzeni widoku (głębokości piksela)

30. Optymalizacja wydajności • Pakowanie wektora położenia float3eyeVec = float3(IN.position.x * aspect, IN.position.y, invTanHalfFov); float3P = normalize(eyeVec) * depth;

31. Integracja z modułem renderującym • Zwykle bezproblemowa • Zastosowanie HDRI • Efekty post-process można traktować jako światła globalne • Łańcuch renderingu upraszcza się do dwóch faz • Konieczność dobrego zaplanowania G-Bufora • Przeprojektowanie może się wiązać z koniecznością przerobienia większości shaderów

32. Deferredshading jako wydajna technika oświetlenia Podsumowanie

33. Podsumowanie • Wydajne rysowanie bardzo dużej liczby świateł • Niemal doskonały batching - lepszy oferują jedynie bufory świateł • Wysoka elastyczność • Łatwa integracja z modułem renderującym • Duże zużycie pamięci karty graficznej (zwykle kilkadziesiąt MB) • Fill-ratebound • Problemy z anti-aliasingiem • Problemy z alpha-blendingiem • Bardzo wysokie wymagania sprzętowe Zalety Wady