Remoção de Superfícies Escondidas

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1 INF 66 Computação Gráfica Interativa Eliminação de Superfícies Escondidas; Anti-Aliasing Alberto B. Raposo 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

2 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. 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?

3 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 Algoritmo do Pintor profundidade z M. Gattass, PUC-Rio

4 Problemas na ordenação de faces (b) (a) + + z a z b M. Gattass, PUC-Rio 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 4

5 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). Z-Buffer: idéia básica z MATRIZ DE PROFUNDIDADES M. Gattass, PUC-Rio 5

6 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) 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 6

7 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 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 da região, a corta, ou envolve a região 7

8 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 Algoritmo de Warnock Casos na imagem ao lado: ) Um polígono à frente ) Vazia ) Um polígono dentro, ao redor ou cortando a área 8

9 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 Exemplo: BSP-Tree C 4 A B - A + C B

10 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 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). 0

11 Exemplo: Célula-Portal View Exemplo: Célula-Portal View

12 Exemplo: Célula-Portal View Exemplo: Célula-Portal View

13 Cell-Portal Example (5) View Exemplo: Célula-Portal View

14 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 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 4

15 Grafo de Cena Resultados 5

16 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. Teste de Desempenho () Quadros por Segundo s/ Portais c/ Portais 9 6

17 Teste de Desempenho () Quadros por Segundo s/ Portais c/ Portais Teste de Desempenho (4) Quadros por Segundo s/ Portais c/ Portais

18 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) Anti-Aliasing 8

19 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 Efeitos de Aliasing Jagged Edges (serrilhado) Perda de detalhes ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set 9

20 Desintegração de Textura O xadrez deveria ficar menor com a distância Aliasing os torna maiores ou irregulares ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set Anti-Aliasing Algoritmos e técnicas desenvolvidos para combater os efeitos de aliasing 0

21 Anti-Aliasing Linhas desenahdas com algoritmo de Bresenham e polígonos preenchidos possuem bordas serrilhadas Como consertar? 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

22 Pré-filtragem Sem Anti-aliasing Pré-filtragem ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set 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 / /

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

24 Exemplos de Anti-aliasing ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set Exemplos de Anti-aliasing ACM SIGGRAPH Educator s Slide Set 4

25 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: 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