В предыдущем уроке мы подготовили нашу модель PBR для работы вместе с методом IBL – для этого нам потребовалось заранее подготовить карту облученности, которая описывает диффузную часть непрямого освещения. В этом уроке мы обратим внимание на вторую часть выражения отражающей способности – зеркальную:

$$

Освещение на основе изображения или IBL (Image Based Lighting) – является категорией методов освещения, основанных не на учете аналитических источников света (рассмотренных в предыдущем уроке), но рассматривающих все окружение освещаемых объектов как один непрерывный источник света. В общем случае техническая основа таких методов лежит в обработке кубической карты окружения (подготовленной в реальном мире или созданная на основе трехмерной сцены) таким образом, чтобы хранимые в карте данные могли быть напрямую использованы в расчетах освещения: фактически каждый тексель кубической карты рассматривается как источник света. В общем и целом, это позволяет запечатлеть эффект глобального освещения в сцене, что является важной компонентой, передающей общий «тон» текущей сцены и помогающей освещаемым объектам быть лучше «встроенными» в нее.

Поскольку алгоритмы IBL учитывают освещение от некоего «глобального» окружения, то их результат считается более точной имитацией фонового освещения или даже очень грубой аппроксимацией глобального освещения. Этот аспект делает методы IBL интересными в плане включения в модель PBR, поскольку задействование освещения от окружения в модели освещения позволяет объектам выглядеть гораздо более физически корректно.

В предыдущем уроке был дан обзор основам реализации физически правдоподобной модели рендеринга. В этот раз мы перейдем от теоретических выкладок к конкретной реализации рендера с участием непосредственных (аналитических) источников света: точечных, направленных или прожекторного типа.

SSAO

Тема фонового освещения была затронута нами в уроке по основам освещения, но лишь вскользь. Напомню: фоновая составляющая освещения – суть постоянная величина, добавляемая во все расчеты освещения сцены для имитации процесса рассеяния света. В реальном же мире свет испытывает множество переотражений с разной степенью интенсивности, что приводит к столь же неравномерной засветке косвенно освещенных участков сцены. Очевидно, что засветка с постоянной интенсивностью не очень правдоподобна.

Одним из видов приближенного расчета затенения от непрямого освещения является алгоритм фонового затенения (ambient occlusion, AO), который имитирует ослабление непрямого освещения в окрестности углов, складок и прочих неровностях поверхностей. Такие элементы, в основном, значительно перекрываются соседствующей геометрией и потому оставляют меньше возможностей лучам света вырваться наружу, затемняя данные участки.

Ниже представлено сравнение рендера без и с использованием алгоритма AO. Обратите внимание на то, как падает интенсивность фонового освещения в окрестности углов стен и прочих резких изломов поверхности:


Пусть эффект и не очень заметен, но присутствие эффекта во всей сцене добавляет ей реалистичности за счет дополнительной иллюзии глубины, созданной малыми деталями эффекта самозатенения.

Bloom

В связи с ограниченным диапазоном яркости, доступным обычным мониторам, задача убедительного отображения ярких источников света и ярко освещенных поверхностей является сложной по определению. Одним из распространенных методов, позволяющих подчеркнуть яркие области на мониторе, является техника, добавляющая ореол свечения вокруг ярких объектов, создающая впечатление «растекания» света за пределы источника света. В итоге у наблюдателя создается впечатление о высокой яркости таких освещенных участков или источников света.

Описанный эффект ореола и выхода света за пределы источника достигается техникой пост-обработки, именуемой блумом (bloom). Применение эффекта добавляет всем ярким участкам отображаемой сцены характерный ореол свечения, что можно увидеть на примере ниже:

Parallax Mapping

Техника текстурирования Parallax Mapping по своему эффекту несколько схожа с Normal Mapping’ом, но основана на другом принципе. Схожесть в том, что, как и Normal Mapping, данная техника значительно увеличивает визуальную сложность и детализацию поверхности с нанесенной текстурой заодно создавая правдоподобную иллюзия наличия на поверхности перепадов высот. Parallax Mapping отлично работает в связке с Normal Mapping для создания весьма достоверных результатов: описываемая техника передает эффект рельефа гораздо лучше Normal Mapping, а Normal Mapping дополняет его для правдоподобной имитации динамического освещения. Parallax Mapping вряд ли можно считать техникой, прямо относящейся к методам имитации освещения, но все же я выбрал этот раздел для его рассмотрения, поскольку метод является логическим развитием идей Normal Mapping. Также отмечу, что для разбора этой статьи требуется хорошее понимание алгоритма работы Normal Mapping, в особенности понятия касательного пространства или tangent space.

Normal Mapping

Все сцены, которые мы используем состоят из многоугольников, в свою очередь состоящих из сотен, тысяч абсолютно плоских треугольников. Нам уже удалось немного повысить реализм сцен за счет дополнительных деталей, которые обеспечивает нанесение двухмерных текстур на эти плоские треугольники. Текстурирование помогает скрыть факт того, что все объекты в сцене – всего лишь набор множества мелких треугольников. Великолепная техника, но возможности её не безграничны: при приближении к любой поверхности все одно становится ясно, что она состоит из плоских поверхностей. Большая же часть реальных объектов не является абсолютно плоской и демонстрирует множество рельефных деталей.

Всенаправленные карты теней

В предыдущем уроке мы разобрались с созданием динамических проекционных теней. Эта техника отлично работает, но, увы, подходит она только для направленных источников света, поскольку карта теней создается в одном направлении, совпадающим с направлением источника. Именно поэтому данная техника также называется направленной картой теней, так как карта глубин (карта теней) создается именно вдоль направления действия источника света.

Данный же урок будет посвящён созданию динамических теней, проецирующихся во всех направлениях. Этот подход отлично подходит для работы с точечными источниками освещения, ведь они должны отбрасывать тени во всех направлениях сразу. Соответственно, данная техника называется всенаправленной картой теней.

Урок во многом опирается на материалы предыдущего урока, так что если вы еще не практиковались с обычными картами теней, стоит сделать это перед продолжением изучения этой статьи.

Сглаживание

В своих изысканиях, посвященных трехмерному рендеру вы наверняка сталкивались с появлением пикселизованных зазубрин по краям отрисовываемых моделей. Эти отметины неизбежно появляются из-за принципа преобразования вершинных данных в экранные фрагменты растеризатором где-то в глубине пайплайна OpenGL. К примеру, даже на такой простой фигуре как куб уже заметны эти артефакты:


Беглый взгляд, возможно, и не заметит ничего, но стоит посмотреть внимательней и на гранях куба проявятся означенные зазубрины. Попробуем увеличить изображение:


Нет, это никуда не годится. Разве такое качество изображения хочется видеть в релизной версии своего приложения?

Инстансинг

Представьте, что вы задумали сцену, содержащую огромное количество моделей объектов, причем преимущественно эти модели содержат одинаковые вершинные данные, разнятся только матрицы трансформации, примененные к ним. Например, сцена с травяным полем, где каждая былинка представлена маленькой моделью, составленной буквально из пары треугольников. Конечно же, для достижения нужного эффекта придется отрендерить эту модель не один раз, а тысячу, десять тысяч раз за кадр. Поскольку в каждом листике содержится буквально пара треугольников, то его рендер будет практически мгновенным. Но вот тысячи повторных вызовов функций рендера совокупно очень заметно ударят по производительности.

Геометрический Шейдер

Между этапами выполнения вершинного и фрагментного шейдера есть опциональная стадия, предназначенная для выполнения геометрического шейдера. На входе у геометрического шейдера оказывается набор вершин, формирующих один из допустимых в OpenGL примитивов (точки, треугольники, …). В результате своей работы геометрический шейдер может преобразовать этот набор вершин по своему усмотрению, прежде чем передать его на следующую шейдерную стадию. При этом стоит отметить самую интересную особенность геометрического шейдера: в процессе своей работы набор входных вершин может быть преобразован к представлению совершенно иного примитива, а также может сгенерировать совершенно новые вершины на основе входных данных, увеличивая итоговое количество вершин.

Кубические карты

До сих пор нам приходилось пользоваться лишь двухмерными текстурами, однако, OpenGL поддерживает гораздо больше типов текстур. И в этом уроке мы рассмотрим тип текстурной карты, на самом деле, представляющий собой комбинацию нескольких отдельных текстур – это кубическая карта (cubemap).

Кубическая карта, по сути, является одним текстурным объектом, содержащим 6 отдельных двухмерных текстур, каждая из которых соотносится со стороной оттекстурированного куба. Зачем может пригодиться такой куб? Зачем сшивать шесть отдельных текстур в одну карту вместо использования отдельных текстурных объектов? Суть в том, что выборки из кубической карты можно совершать используя вектор направления.

Кадровый буфер

На текущий момент мы уже успели воспользоваться несколькими типами экранных буферов: буфером цвета, в котором хранятся значения цвета фрагментов; буфером глубины, хранящим информацию о глубине фрагментов; буфером трафарета, позволяющим отбросить часть фрагментов согласно определенному условию. Комбинация этих трех буферов зовется кадровым буфером (фреймбуфером) и хранится в определенной области памяти. OpenGL достаточно гибка, чтобы позволить нам самим создавать собственные кадровые буферы, посредством задания собственных буферов цвета и, опционально, буферов глубины и трафарета.

Отсечение граней

Попробуйте представить куб и подсчитать максимальное число его граней, которое вы можете увидеть с любого направления. Если ваше воображение не излишне живое, то, верней всего, вы придете к выводу, что это число 3. Из какой бы точки или с какого бы направления вы не смотрели на куб, вы никогда не сможете увидеть больше чем три грани. Так к чему же тратить вычислительные мощности на отрисовку оставшихся трех граней, если их не будет видно? Если бы мы могли отбросить их обработку каким-то образом, то сэкономили более чем половину выполнений фрагментного шейдера!

Смешивание цветов

Смешивание в OpenGL (да и других графических API, прим. пер.) является той техникой, которую обычно связывают с реализацией прозрачности объектов. Полупрозрачность объекта подразумевает, что он не залит одним сплошным цветом, а сочетает в себе в различных пропорциях оттенок своего материала с цветами объектов, находящихся позади. Как пример, можно взять цветное стекло в окне: у стекла есть свой оттенок, но в итоге мы наблюдаем смешение оттенка стекла и всего того, что видно за стеклом. Собственно, из этого поведения и возникает термин смешивание, поскольку мы наблюдаем итоговый цвет, являющийся смешением цветов отдельных объектов. Благодаря этому, мы можем видеть сквозь полупрозрачные объекты.

Буфер глубины

В уроке, посвящённом системам координат, мы выполнили рендер трехмерного контейнера с использованием буфера глубины, что позволило предотвратить ошибочный вывод граней, находящихся позади других. В этом уроке мы пристальнее взглянем на буфер глубины (или z-буфер) и хранимые в нем значения, а также узнаем как конкретно проходит проверка находится ли фрагмент позади других.

Класс 3D-модели

Ну что ж, пора закатать рукава и погрузиться в дебри работы с кодом загрузки и преобразования данных Assimp! Задача урока – создать еще один класс, представляющий собой целую модель, содержащую множество полигональных сеток, а также, возможно, состоящую из нескольких подобъектов. Здание с деревянным балконом, башней и, например, плавательным бассейном все равно будет загружено как единая модель. С помощью Assimp мы подгрузим данные и преобразуем их во множество объектов типа Mesh из прошлого урока.

Источники света

Вплоть до этой статьи мы довольствовались освещением, исходящим из одной точки в пространстве. И результат был неплох, однако в реальности существует множество источников освещения с различающимся «поведением». В данном уроке рассматриваются несколько таких источников света. Умение имитировать характеристики разных источников света является еще одним инструментом обогащения создаваемых сцен.

Начнем урок с направленного источника света, затем перейдем к точечному источнику, который является развитием упомянутого простого метода освещения. В конце рассмотрим, как устроен источник, имитирующий свойства прожектора (спотлайт).