INF 1366 Computação Gráfica Interativa. Anti-Aliasing; Eliminação de Superfícies Escondidas. Alberto B. Raposo

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1 INF 66 Computação Gráfica Interativa Anti-Aliasing; Eliminação de Superfícies Escondidas Alberto B. Raposo Aliasing ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set Ocorre quando a amostragem inerente à renderização não tem informação suficiente para uma imagem precisa. Cena original Amostragem do centro dos pixels Imagem renderizada Luminosidade Sinal amostrado Luminosidade reconstruída

2 Efeitos de Aliasing Jagged Edges (serrilhado) Perda de detalhes ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set Desintegração de Textura O xadrez deveria ficar menor com a distância Aliasing os torna maiores ou irregulares ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set

3 Anti-Aliasing Algoritmos e técnicas desenvolvidos para combater os efeitos de aliasing Anti-Aliasing Linhas desenahdas com algoritmo de Bresenham e polígonos preenchidos possuem bordas serrilhadas Como consertar?

4 Anti-Aliasing Duas abordagens gerais Amostragem por área (ou pré-filtragem): considera as primitivas amostradas como caixa (região) (ou Gaussiana, ou ) ao invés de linhas Requer primitivas com área (linhas com largura) Super-amostragem (ou pós-filtragem): amostra em resolução maior, filtrando depois a imagem resultante Este é o anti-aliasing mais usado em hardware Pré-filtragem Sem Anti-aliasing Pré-filtragem ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set 4

5 Unweighted Area Sampling Técnica de pós-filtragem Considere uma linha como tendo largura Considere pixels como pequenos quadrados Preencha os pixels de acordo com a proporção do seu quadrado coberto pela linha (intensidade de cor) / /4.94 /8 0 /4.94 /4 0 /8.94 / / Super-amostragem (pós-filtragem) Amostre em resolução maior que a necessária para o display e depois filtre a imagem Típico: 4 a 6 amostras por pixel S Amostras podem ser em grade uniforme, ou randomicamente posicionadas 5

6 Exemplos de Anti-aliasing ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set Exemplos de Anti-aliasing ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set 6

7 Exemplos de Anti-aliasing ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set Weighted Sampling Ao invés de usar a proporção da área coberta pela linha, use convolução para fazer a amostragem Equivalente a pré-filtrar a linha e amostrar o resultado Coloque o filtro em cada pixel e integre o produto do pixel com a linha Exemplo de filtro:

8 Remoção de Superfícies Escondidas Dado conjunto de polígonos, qual é visível em cada pixel (quem está na frente, etc.)? Há muitos algoritmos diferentes para isso. grandes classes: Precisão de objeto: computação opera nas primitivas Precisão de imagem: computação opera no nível do pixel Pode-se operar em qualquer espaço do pipeline de visualização, pois todos eles mantêm a informação de profundidade Sequência de transformações do OpenGL Remoção de Superfícies Escondidas (Visibilidade) Determinar a visibilidade dos polígonos antes de enviá-los para placa gráfica (culling): Back face culling; View frustum culling; Occlusion Culling; Célula / Portal. 8

9 Desafios Eficiência perde-se tempo sobrescrevendo pixels ou rasterizando coisas que não podem ser visualizadas Precisão resultado precisa ser correto e se comportar corretamente quando a câmera se move Em ambientes complexos, poucas coisas são visíveis Quanto do mundo real é visto a cada instante? Algoritmo do Pintor (Precisão de Imagem) Algoritmo: Escolha uma ordenação para os polígonos baseada em algum critério (e.g. profundidade de um ponto do polígono) Renderize os polígonos nessa ordem, o mais distante primeiro Polígonos mais próximos são desenhados sobre os mais distantes 9

10 Algoritmo do Pintor profundidade z M. Gattass, PUC-Rio Problemas na ordenação de faces (b) (a) + + z a z b M. Gattass, PUC-Rio 0

11 Algoritmo do Pintor Dificuldade: Se usado dessa forma, não funciona bem na maioria das geometrias Precisa de melhores maneiras de fazer a ordenação dos polígonos Situações em que não funciona z s Que ponto escolher para a ordenação? x s Algoritmo Z-buffer (Precisão de Imagem) Para cada pixel do display, tenha pelo menos buffers Color buffer: Armazena a cor atual de cada pixel (o que será realmente mostrado) Z-Buffer (ou depth buffer): armazena, para cada pixel, a profundidade do objeto mais próximo até então, a ser desenhado naquele pixel Inicialize o Z-buffer com um valor correspondente ao valor de Z mais distante visível (Z max ) À medida que um polígono é preenchido, compute a profundidade de cada pixel a ser preenchido If: profundidade < profundidade armazenada no z-buffer, preencha o pixel e armazene essa profundidade no z-buffer Else: desconsidere o pixel (está atrás de algo que já foi desenhado).

12 Z-Buffer: idéia básica z MATRIZ DE PROFUNDIDADES M. Gattass, PUC-Rio Z-buffer Vantagens: Simples e hoje em dia implementado em hardware O z-buffer é parte do que faz uma placa gráfica ser D Computar as profundidades necessárias é simples Desvantagens: Over-renders pouco eficiente quando há grande número de polígonos Não trata transparência facilmente (precisaria guardar informação sobre polígonos parcialmente cobertos)

13 Algoritmo A-buffer (Precisão de Imagem) Lida com superfícies transparentes e faz anti-aliasing Em cada pixel, mantenha um ponteiro para lista de polígonos ordenado por profundidade e uma máscara de cobertura de sub-pixels para cada polígono Matriz de bits dizendo que partes do pixel está coberta Algoritmo: ao desenhar um pixel: If: polígono é opaco e cobre o pixel, inserir na lista, removendo todos os polígonos mais distantes If: polígono é transparente ou cobre apenas parte do pixel, inserir na lista, mas sem remover polígonos mais distantes Algoritmo A-buffer Algoritmo: etapa de rendering A cada pixel, percorra o buffer usando as cores dos polígonos e as máscaras de cobertura para fazer a composição: sobre = Vantagem: Pode fazer mais que o Z-buffer Conceito de máscara de visibilidade pode ser usado em outros algoritmos Desvantagens: Não está em hardware, e é lento em software No fundo, é z-buffer: mesmo problema de over-rendering Porém: usado em ferramentas de renderização de alta qualidade

14 Subdivisão de Áreas Explora a coerência de área: pequenas áreas de uma imagem tendem a ser cobertas por apenas um polígono Três casos triviais para determinar o que está na frente em uma região:. Um polígono está completamente à frente de qualquer coisanaregião. Não há superfícies projetadas na região. Apenas uma superfície está completamente dentro daregião, a corta, ou envolve a região Subdivisão de Áreas: Algoritmo de Warnock (Precisão de Imagem) Comece com imagem completa Se um dos casos triviais ocorre, desenhe o que está na frente Caso contrário, subdivida a região recursivamente Se região chegou ao tamanho do pixel, escolha superfície com menor profundidade Vantagens: Não ocorre over-rendering Bom anti-aliasing: basta fazer mais uma subdivisão para obter informação de sub-pixel Desvantagem: Testes são complexos e lentos 4

15 Algoritmo de Warnock Casos na imagem ao lado: ) Um polígono à frente ) Vazia ) Um polígono dentro, ao redor ou cortando a área BSP-Trees: Binary Space Partion Trees (Precisão de Objeto) Construção da bsp tree Árvore fornece ordem de renderização Árvore quebra o mundo D com planos Mundo é quebrado em células convexas Cada célula é a interseção de todos os meio-espaços dos planos de quebra na árvore Também usada em modelagem: Nem sempre quando se fala em BSP se refere a este algoritmo 5

16 Exemplo: BSP-Tree C 4 A B - A + C B Exemplo: BSP-Tree 5a 5b 4 frente 5a atrás 4 5b 5a 5b 4 frente frente atrás 5a atrás 4 5b 5a 5b 4 5a 4 5b M. Gattass, PUC-Rio 6

17 Célula / Portal - Conceito Em um ambiente fechado, objetos presentes em quartos (células) distantes não podem ser vistos através das paredes (oclusores) e os objetos nos quartos adjacentes são vistos somente através das portas ou janelas (portais). Exemplo: Célula-Portal View 7

18 Exemplo: Célula-Portal View Exemplo: Célula-Portal View 8

19 Exemplo: Célula-Portal View Cell-Portal Example (5) View 9

20 Exemplo: Célula-Portal View Célula / Portal Pré-processamento O ambiente deve ser pré-processado para se obter as células e os portais: Uma forma de se obter essa divisão é através do cálculo de uma BSP-Tree ou uma k-d Tree; Cálculo da Visibilidade: Calcular o conjunto de objetos potencialmente visíveis (PVS): Teller / Séquin, Quake ; Não calcular o PVS: a determinação é feita dinamicamente - Luebke 0

21 Portais Determinar o conjunto potencialmente visível: A célula onde está o observador mais todas as células adjacentes. Luebke e Georges: Montar o grafo de cena a partir da informação de conectividade; Percorrendo o grafo, determinar quais células estão visíveis; Adequado para implementação em grafos de cena: Performer / OpenSceneGraph Grafo de Cena

22 Resultados Teste de Desempenho () O desempenho foi amostrado durante um percurso por vários cômodos do modelo -D de um apartamento; Testes realizados em um P4.54 GHz com GB de RAM e uma placa gráfica NVIDIA Quadro FX MB.

23 Teste de Desempenho () Quadros por Segundo s/ Portais c/ Portais 9 Teste de Desempenho () Quadros por Segundo s/ Portais c/ Portais 90 80

24 Teste de Desempenho (4) Quadros por Segundo s/ Portais c/ Portais 0 94 Propriedades: Células-Portais Vantagens Extremamente eficiente apenas olha para células que estão realmente visíveis: visibility culling Facilmente modificável para visibilidade parcial: renderiza células parcialmente visíveis e deixa z-buffer fazer o resto Faz espelhos: crie célula imaginária espelhada e considere o espelho como portal Desvantagens Restrito a ambientes com boa estrutura para células/portais (ambientes fechados) 4

25 Informações Adicionais Peter Shirley. Fundamentals of Computer Graphics, A K Peters, Ltd., Natick, MA, USA, 00. Foley, J. D., Van Dam, A., Feiner, S. K., e Huhes, J. F., Phlips, L. R., Introduction to Computer Graphics, Addison-Wesley, 995. D. F. Rogers, Procedural Elements for Computer Graphics, McGraw-Hill, 988. Marcelo Gattass: notas de aula. Portais: Silva, R. J. M., Wagner, G. N., Raposo, A. B., Gattass, M. Experiência de Portais em Ambientes Arquitetônicos Virtuais. VI Symposium on Virtual Reality - SVR 00, p.7-8. Ribeirão Preto, SP, Brazil