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Sombreado diferido

Tampón G de color difuso
Búfer Z
Superficie normal G-Buffer
Composición final (para calcular las sombras que se muestran en esta imagen se deben utilizar otras técnicas como mapeo de sombras , detectores de sombras o un volumen de sombras junto con el sombreado diferido). [1]

En el campo de los gráficos por computadora en 3D , el sombreado diferido es una técnica de sombreado del espacio de la pantalla que se realiza en una segunda pasada de renderizado , después de que se renderizan los sombreadores de vértices y píxeles . [2] Fue sugerido por primera vez por Michael Deering en 1988. [3]

En la primera pasada de un sombreador diferido, solo se recopilan los datos necesarios para el cálculo del sombreado. Las posiciones, normales y materiales para cada superficie se renderizan en el búfer de geometría ( G-buffer ) usando " renderizar a textura ". Después de esto, un sombreador de píxeles calcula la iluminación directa e indirecta en cada píxel utilizando la información de los buffers de textura en el espacio de la pantalla .

La oclusión direccional del espacio de la pantalla [4] puede formar parte del proceso de sombreado diferido para dar direccionalidad a las sombras y las interreflexiones.

Ventajas

La principal ventaja del sombreado diferido es la desvinculación de la geometría de la escena de la iluminación. Sólo se requiere una pasada de geometría y cada luz solo se calcula para aquellos píxeles a los que realmente afecta. Esto brinda la capacidad de renderizar muchas luces en una escena sin afectar significativamente el rendimiento. [5] Se afirman algunas otras ventajas de este enfoque. Estas ventajas pueden incluir una gestión más sencilla de recursos de iluminación complejos, facilidad para gestionar otros recursos de sombreado complejos y la simplificación del proceso de renderizado del software.

Desventajas

Una desventaja clave del renderizado diferido es la incapacidad de manejar la transparencia dentro del algoritmo, aunque este problema es genérico en escenas con buffer Z y tiende a manejarse retrasando y ordenando el renderizado de partes transparentes de la escena. [6] El pelado en profundidad se puede utilizar para lograr una transparencia independiente del orden en el renderizado diferido, pero a costa de lotes adicionales y tamaño de g-buffer. El hardware moderno, compatible con DirectX 10 y posteriores, suele ser capaz de realizar lotes lo suficientemente rápido como para mantener velocidades de fotogramas interactivas. Cuando se desea una transparencia independiente del orden (comúnmente para aplicaciones de consumo), el sombreado diferido no es menos efectivo que el sombreado directo utilizando la misma técnica.

Otra grave desventaja es la dificultad de utilizar varios materiales. Es posible utilizar muchos materiales diferentes, pero requiere almacenar más datos en el G-buffer, que ya es bastante grande y ocupa una gran cantidad de ancho de banda de memoria. [7]

Una desventaja más es que, debido a la separación de la etapa de iluminación de la etapa geométrica, el suavizado de hardware ya no produce resultados correctos, ya que las submuestras interpoladas darían como resultado atributos de posición, normal y tangente sin sentido. Una de las técnicas habituales para superar esta limitación es utilizar la detección de bordes en la imagen final y luego aplicar desenfoque sobre los bordes, [8] sin embargo, recientemente se han desarrollado técnicas de suavizado de bordes post-proceso más avanzadas, como MLAA [9] [ 10] (usado en Killzone 3 y Dragon Age II , entre otros), FXAA [11] (usado en Crysis 2 , FEAR 3 , Duke Nukem Forever ), SRAA, [12] DLAA [13] (usado en Star Wars: The Force Unleashed II ) y publicar MSAA (utilizado en Crysis 2 como solución anti-aliasing predeterminada). Aunque no es una técnica de suavizado de bordes, el suavizado temporal (utilizado en Halo: Reach y Unreal Engine ) también puede ayudar a dar a los bordes una apariencia más suave. [14] DirectX 10 introdujo funciones que permiten a los sombreadores acceder a muestras individuales en objetivos de renderizado multimuestreados (y buffers de profundidad en la versión 10.1), brindando a los usuarios de esta API acceso al suavizado de hardware en sombreado diferido. Estas características también les permiten aplicar correctamente el mapeo de luminancia HDR a los bordes suavizados, donde en versiones anteriores de la API es posible que se haya perdido cualquier beneficio del suavizado.

Iluminación diferida

La iluminación diferida (también conocida como Light Pre-Pass) es una modificación del sombreado diferido. [15] Esta técnica utiliza tres pasadas, en lugar de dos en el sombreado diferido. En la primera pasada por la geometría de la escena, sólo se escriben en el búfer de color las normales y el factor de dispersión especular. La pasada "diferida" del espacio de la pantalla acumula datos de iluminación difusa y especular por separado, por lo que se debe realizar una última pasada sobre la geometría de la escena para generar la imagen final con sombreado por píxel. La ventaja aparente de la iluminación diferida es una reducción drástica del tamaño del G-Buffer. El costo obvio es la necesidad de renderizar la geometría de la escena dos veces en lugar de una. Un costo adicional es que el paso diferido en iluminación diferida debe generar irradiancia difusa y especular por separado, mientras que el paso diferido en sombreado diferido solo necesita generar un único valor de radiancia combinado.

Debido a la reducción del tamaño del G-buffer, esta técnica puede superar parcialmente una grave desventaja del sombreado diferido: los múltiples materiales. Otro problema que se puede solucionar es el MSAA . La iluminación diferida se puede utilizar con MSAA en hardware DirectX 9. [ cita necesaria ]

Iluminación diferida en juegos comerciales

El uso de la técnica ha aumentado en los videojuegos debido al control que permite en términos de usar una gran cantidad de luces dinámicas y reducir la complejidad de las instrucciones de sombreado requeridas. Algunos ejemplos de juegos que utilizan iluminación diferida son:

Sombreado diferido en juegos comerciales

En comparación con la iluminación diferida, esta técnica no es muy popular [ cita necesaria ] debido al alto tamaño de la memoria y los requisitos de ancho de banda, especialmente en las consolas de séptima generación donde el tamaño de la memoria gráfica y el ancho de banda son limitados y, a menudo, cuellos de botella.

Motores de juegos que presentan técnicas de renderizado o sombreado diferido

Historia

La idea del sombreado diferido fue introducida originalmente por Michael Deering y sus colegas en un artículo [3] publicado en 1988 titulado The Triangle Processor and Normal Vector Shader: a VLSI System for High Performance Graphics . Aunque el documento nunca utiliza la palabra "diferido", se introduce un concepto clave; cada píxel se sombrea sólo una vez después de la resolución de profundidad. El sombreado diferido tal como lo conocemos hoy, utilizando G-buffers, fue introducido en un artículo de Saito y Takahashi en 1990, [56] aunque ellos tampoco usan la palabra "diferido". El primer videojuego con sombreado diferido fue Shrek , un título de lanzamiento de Xbox lanzado en 2001. [57] Alrededor de 2004, comenzaron a aparecer implementaciones en hardware de gráficos básico. [58] Posteriormente, la técnica ganó popularidad para aplicaciones como videojuegos , y finalmente se convirtió en algo común entre 2008 y 2010. [59]

Referencias

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