Использование карт освещения

В широком смысле карта освещения – это структура данных, хранящая информацию об освещенности (яркости) поверхностей трехмерной сцены. Карты освещения рассчитываются предварительно для неподвижных объектов и позволяют ускорить рисование освещенной сцены. Впервые карты освещения были использованы в компьютерной игре Quake (1996 год).

Сейчас под картами освещения чаще всего подразумевают одну из их разновидностей – текстурные карты освещения. Они представляют собой изображения, накладываемые при рисовании «поверх» основных текстур; при этом яркость точки на карте освещения используется для модуляции яркости точки основной текстуры. Этот процесс продемонстрирован на рисунке:

Наложение карт освещения

Каждой поверхности в сцене соответствует своя карта освещения. Из-за того, что число поверхностей велико, карты освещения делают небольшого размера – как правило, не больше 128х128 точек. Поверхностям с большей площадью соответствуют более крупные карты освещения.

Часть набора карт освещения для небольшой сцены

Современные видеоадаптеры имеют функцию мультитекстурирования, позволяющую за одно действие нарисовать трехмерный объект с несколькими скомбинированными текстурами. Это делает использование карт освещения очень быстрым и эффективным.

 

Вычисление результирующего цвета

 

R = R_текст R_осв

G = G_текст G_осв

B = B_текст B_осв

 

Где значение компонентов цвета лежат в диапазоне [0, 1].

Проверка: если карта освещенности будет полностью белой, то результирующая текстура будет такой же, как и основная текстура (компоненты везде домножаются на 1, т.к. белый цвет это R = 1, G = 1, B = 1)

если карта освещенности будет полностью черной, то результирующая текстура тоже черной (компоненты везде домножаются на 0, т.к. черный цвет это R = 0, G = 0, B = 0), что соответствует отсутствие источников освещения).

 

Создание карт освещения будет рассмотрено позже

 

Наложение текстур

Текстуры позволяют увеличить детализированность изображения, не добавляя в сцену дополнительную геометрию, и поэтому широко распространены в трехмерной графике.

Как правило, трехмерная модель, созданная в пакете трехмерного моделирования, содержит не только информацию о геометрии, но и текстурные координаты – пары чисел U и V, указывающие на точку текстуры. Текстурные координаты задаются в вершинах граней, и задача наложения текстур сводится к интерполяции текстурных координат U и V по всем точкам грани.

В аффинном текстурировании (affine mapping) используется линейная интерполяция:

 
, где u0  и u1  – значения текстурной координаты U, заданные на концах некоторого отрезка, и. Точно такая же формула используется для координаты V.

Этот метод работает быстро, но дает некорректные результаты для граней, расположенных под углом к экрану, так как при интерполяции не учитываются значения глубины точек.

Перспективно-корректное текстурирование, как следует ожидать из названия, дает корректные результаты для произвольных граней благодаря дополнительной интерполяции глубины точек:

,
где z0, z1  – глубины концов отрезка, на котором проводится интерполяция.

 

 

Рис. Сравнение методов текстурирования

Все современные видеоадаптеры используют перспективно-корректное текстурирование.

Смешивание текстур

Смешивание с учетом цвета:

 

 

Смешивание без учета текстуры:

 

Прозрачность реализуется с помощью специального режима смешения цветов (blending). Алгоритм смешения комбинирует цвета так называемых входящих пикселей (т.е. «кандидатов» на помещение в буфер кадра) с цветами соответствующих пикселей, уже хранящихся в буфере. Для смешения используется четвертая компонента цвета – альфа-компонента, поэтому этот режим называют еще альфа-смешиванием. Программа может управлять интенсивностью альфа-компоненты точно так же, как и интенсивностью основных цветов, т.е. задавать значение интенсивности для каждого пикселя или каждой вершины примитива.

Расчет результирующего цвета каждого пикселя:

res=с_src*k₁+c_dst*k₂

Параметр src определяет, как получить коэффициент k₁ исходного цвета пикселя, a dst задает способ получения коэффициента k₂ для цвета в буфере кадра. Для получения результирующего цвета используется следующая формула:, где с_src – цвет исходного пикселя, c_dst – цвет пикселя в буфере кадра (res, k₁, k₁, с_src, c_dst – четырехкомпонентные RGBA-векторы).

Приведем наиболее часто используемые значения аргументов src и dst.

SRC_ALPHA	k=(As,As,As,As)
SRC_ONE_MINUS_ALPHA	k=(1,1,1,1)-(As,As,As,As)
DST_COLOR	k=(Rd,Gd,Bd)
ONE_MINUS_DST_COLOR	k=(1,1,1,1)- (Rd,Gd,Bd,Аd)
DST_ALPHA	k=(Ad,Ad,Ad,Ad)
DST_ONE_MINUS_ALPHA	k=(1,1,1,1)-(Ad,Ad,Ad,Ad)
SRC_COLOR	k=(Rs,Gs,Bs)
ONE_MINUS_SRC_COLOR	k=(1,1,1,1)- (Rs,Gs,Bs,As)

 

Если в сцене есть несколько прозрачных объектов, которые могут перекрывать друг друга, корректный вывод можно гарантировать только в случае выполнения следующих условий:

Все прозрачные объекты выводятся после непрозрачных.

При выводе объекты с прозрачностью должны быть упорядочены по уменьшению глубины, т.е. выводиться, начиная с наиболее отдаленных от наблюдателя.

В нашем программном комплексе коэффициент ALPHA для воды = 0.45

А режим смешения SRC_ONE_MINUS_ALPHA

 

Мипмапы

Мипмапы (MipMaps) или Мип-карты — предрассчитанный, оптимизированный набор изображений связанных с одной текстурой и предназначенный для увеличения скорости рендеринга и улучшения качества изображения.

Каждое следующее изображение в наборе вдвое меньше предыдущего. То есть самое первое имеет размер равный размеру текстуры, второе вдвое меньший, третье — вчетверо и т.д. до размера 1х1 тексель.

Смысл такого вот предрассчитанного набора состоит в том, что при текстурировании будет выбираться изображение с наиболее подходящим размером.

Предположим, что на модель натянута текстура размером 512х512. Модель стоит далеко от камеры и геометрические размеры на экране у нее малы (скажем 3 пикселя)

При отключенном мипмапинге видеокарте придётся выбирать, какой тексель из большой текстуры будет использован для расчёта цвета точки. Этот выбор может меняться при изменении ракурса камеры, что приведёт к мерцанию объектов вдали.

При включенном мипмапинге видеокарта выберет более подходящий размер текстуры, и будет производить выборку из него, что избавит нас от артефактов изображения.

При применении Трилинейной Фильтрации или Билинейной фильтрации с мипмапингом можно получить более размытые текстуры на поверхностях вдали или под углом. Для улучшения качества желательно применять Анизотропную фильтрацию.

Использование мипмапинга также повышает быстродействие, так как более эффективно используется текстурная кэш-память видеокарты, и меньше данных приходиться передавать по шине.

Генерацию мип-уровней можно сделать несколькими способами:

Самое простое, это указать видеокарте сгенерировать мип-уровни, но качество не будет очень хорошим, так как для генерации, скорее всего, будет использоваться простой Box фильтр (Используется в нашей программе).

 

 

Другой вариант - генерировать мипмапы самому, своими реализациями фильтров, или воспользовавшись пакетами для редактирования изображений, которые уже имеют нужную функциональность. Таким образом, можно выбирать, какой фильтр даёт наилучший результат, и ещё больше поднять качество.

Ещё один вариант требует намного больше труда, чем предыдущие два. Он заключается в рисовании всех мип-уровней вручную. В зависимости от опыта художника качество может измениться в ту или иную сторону.

 

Принцип действия

Создаётся так называемая MIP-пирамида — последовательность текстур с разрешением от максимального до 1×1. Например: 1×1, 2×2, 4×4, 8×8, 16×16, 32×32, 64×64, 128×128, 256×256 и 512×512. Каждая из этих текстур называется MIP-уровнем или уровнем детализации

На всех этих текстурах находится одно и то же изображение. Таким образом, MIP-текстурирование увеличивает расход видеопамяти на треть: .

При наложении текстур вычисляется расстояние до объекта, соответственно находится номер текстуры как ,

 где resolution - разрешение виртуальной камеры (количество пикселей, которое будет в объекте размером в 1 ед., расположенном в 1 ед. от камеры),

 

texelsize — размер текселя в единицах трёхмерного мира,

dist — расстояние до объекта в тех же единицах,

mip bias — число, позволяющее выбирать более или менее детальную текстуру, чем даёт формула. Эта цифра округляется до целого, и текстура с соответствующим номером (нулевая — самая детальная, первая — вдвое меньшая и т. д.) накладывается на объект.

 

 

Недостатки, способы решения

Расход видеопамяти увеличивается на треть. Впрочем, видеопамять сейчас достаточно дешева. К тому же, если объект далеко, его детальную текстуру можно и выгрузить в оперативную память.

MIP-текстурирование не решает проблему текстур, находящихся под острым углом к зрителю (например, дорога). У таких текстур разрешение по одной оси сильно отличается от разрешения по другой — и, например, по оси X изображение явно размыто, в то время как по оси Y видны мерцания, свойственные завышенному разрешению текстуры.

 

Есть сразу несколько способов решения этого (начиная с наименее качественного):

1.    Установить наиболее комфортное значение mip bias — числа, которое отвечает за выбор номера текстуры в пирамиде. Если оно отрицательное, видеоплата берёт более детальные текстуры, если положительное — менее детальные.

2.    Воспользоваться анизотропной фильтрацией — методом текстурирования, который направлен именно на решение этой проблемы.

Наконец, видна чёткая граница между MIP-уровнями. Это решается трилинейной фильтрацией.

Билинейная фильтрация — процесс извлечения нескольких пикселей исходной текстуры с последующим усреднением их значений для получения окончательного значения пикселя. Понятие «билинейная фильтрация», точно так же, как и сходное понятие «трилинейная фильтрация», применимо только к двумерным текстурам. Для трехмерных, например, данное понятие неприменимо, а понятие трилинейной фильтрации имеет совершенно другое значение. Пример исходного кода функции билинейной фильтрации.

Трилинейная фильтрация — усовершенствованный вариант билинейной фильтрации. Цвет пикселя высчитывается как средневзвешенное восьми текселей: по четыре на двух соседних MIP-текстурах. В случае, если формулы MIP-текстурирования дают самую крупную или самую маленькую из MIP-текстур, трилинейная фильтрация вырождается в билинейную.

MIP-текстурирование, повышая чёткость изображения и процент попаданий в кэш на дальних расстояниях, имеет серьёзный недостаток: ясно видны границы раздела между MIP-уровнями. Трилинейная фильтрация позволяет исправить этот недостаток ценой некоторого снижения резкости текстур.С недостаточной резкостью борются, устанавливая отрицательный mip bias — то есть, текстуры берутся более детальные, чем нужно было бы без трилинейной фильтрации.