Ambient occlusion что это в играх – Ssao

Содержание

Ambient occlusion — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Ambient.

Использованы модели (сверху вниз): прямого освещения, Ambient occlusion (AO) и комбинированная модель AO и прямого освещения

Ambient occlusion (AO) — модель затенения, используемая в трёхмерной графике и позволяющая добавить реалистичности изображению за счёт вычисления интенсивности света, доходящего до точки поверхности. В отличие от локальных методов, как например затенение по Фонгу, ambient occlusion является глобальным методом, то есть значение яркости каждой точки объекта зависит от других объектов сцены. В принципе, это достаточно отдалённо напоминает глобальное освещение.

Ambient occlusion чаще всего вычисляется путём построения лучей, исходящих из точки поверхности во всех направлениях, с последующей их проверкой на пересечение с другими объектами. Лучи, достигнувшие фона или «неба», увеличивают яркость поверхности, в то время как лучи, пересекающие другие объекты, не добавляют яркости. В результате точки, окружённые большим количеством геометрии, отрисовываются как более тёмные, а точки с малым количеством геометрии в видимой полусфере — светлыми.

Ambient occlusion относится к методам, основанным на доступности элемента поверхности для различных факторов, таких как грязь, свет и т. д. Он получил популярность благодаря относительной простоте и достаточно высокой эффективности. Часто AO также называют «sky light».

Модель AO способствует лучшему восприятию объёма изображаемых объектов, нежели модель прямого освещения^[1].

Затенение Ap{\displaystyle A_{p}} в точке p{\displaystyle p} поверхности с нормалью N

ru.wikipedia.org

Что такое Ambient Occlusion (AO)

Ambient occlusion – метод глобального фонового или непрямого затенения объектов.

Мягкие тени, создаваемые за счет Ambient Occlusion в различных трещинах и углублениях 3D-объектов, освещаемых в сцене непрямым освещением, визуально разделяют объекты, добавляя дополнительного реализма на рендере.

Например, Ambient Occlusion можно использовать для лучшего визуального разделения кирпичей стены, которые на самом деле не разделены. АО – это не то же самое, что и тени, отбрасываемые прямым источником света, фактически, это фейковые тени, образуемые за счет непрямого освещения, которые на рендере отбрасывают поверхность геометрии.

Если эти лучи взаимодействуют с другой поверхностью, этот участок становится темнее. Если нет – светлее. В большинстве 3D-приложений АО рассчитывается с помощью специального шейдера, который назначается на геометрию. После рендера АО-пас добавляется к изображению в редакторе для композитинга, например в Photoshop, где он дополнительно редактируется и улучшается.

Учитывая, что АО имитируется тогда, когда поверхность объекта «испускает» свет, любой объект с назначенной картой прозрачности не будет просчитываться автоматически. При этом кажется, что АО не рассчитывается, но это не так, поскольку на самом деле лучи света проходят сквозь прозрачную геометрию.

Ambient Occlusion идеально подходит для смягчения всех теней в сцене, если они чрезмерно резкие, а также для их затемнения, если светлые. При этом необходимости в создании дополнительного источника света нет, поскольку АО работает не так, как, например, Final Gather, для которого нужен источник света, испускающий лучи. Для Ambient Occlusion также характерна некоторая вариативность цвета, благодаря которой наши глаза лучше различают детали, которые в противном случае остались бы незамеченными или размытыми. Кроме того, АО идеально подходит для визуализации незатекстуренных моделей.

Советы по настройке Ambient Occlusion
При просчете Ambient Occlusion время рендера можно также сократить, если запечь АО в отдельный слой. Это особенно важно при рендере анимации, поскольку при рендере каждого компьютер будет заново рассчитывать AO, что значительно замедляет время рендера.

Если при рендере на АО-пасе возникают непонятные артефакты, например, излишне насыщенные или слабые тени и пр., нужно подкрутить параметр Max distance в настройках АО. Этот параметр отвечает за то, какое расстояние должны преодолеть лучи света на пути к поверхности геометрии. Чем больше расстояние, тем шире и насыщенней будут тени. Увеличение расстояния также увеличит количество отбрасываемых теней. При уменьшении этого расстояния лучи проделают меньший путь, поэтому тени появятся только там, где геометрия будет расположена близко к поверхности. Экспериментальный подход – залог того, что вы достигнете желаемого результата.

Для дополнительного реализма на рендере можно также использовать непосредственно АО-пас, который можно найти в настройках рендера. Это позволит с помощью направленного источника света добавить Ambient Occlusion дополнительной направленности, а также уменьшит его зависимость от окружающей геометрии.

В некоторых случаях необходимости в рендере отдельного АО-паса нет, поскольку в некоторых материалах он встроен. В таких 3D-редакторах, как 3ds Max или Maya, АО можно найти в настройках архитектурных или дизайнерских материалов. Поэтому перед тем, как настроить отдельный АО-пас, проверьте, не встроен ли он в настройки материала.

Хотите знать больше? Приходите к нам!

Журналист: Алена

3dpapa.ru

Новомодные свистелки-перделки / Персональный блог Об играх — изнутри

Вступление

Ты вступление не читаешь. Тебе оно не интересно.
Мне тоже не интересно описывать, что я за хрен с горы и нафига тут вылез. Но надо.
Короче, крути вниз.

Всем привет.
Наблюдая в недавнем стриме по MATRIX: Path of Neo за тем, как Вася с Максом рассуждают на тему LOD’ов, я понял одну интересную вещь: в современных играх меню с настройками графики представляет собой что-то совершенно непотребное. Оно либо жутко кастрировано, либо открывает для пользователя такую простыню непонятных слов, в которой и чёрт ногу сломит.

Меню Баттлы и огрызок меню в DmC

Ладно, я — сам работаю в игрострое. Так что мне-то понятно, какая настройка за что отвечает. Но порой тоже не без трудностей. А вот простых игроков, наверное, при чтении всех этих названий одолевает тихий ужас.

Причём, мир не стоит на месте, и новые графические «фичи» появляются каждый год, а то и месяц. Недавно — вон, свет увидел TressFX.

Так что дальше будет только больше, и без посторонней помощи разобраться во всём этом техническом безобразии в скором времени уже просто не получится.
Разработчики игр упрощают это дело, как могут, по максимуму убирая из меню всё лишнее. Вот только беда в том, что это вовсе не «лишнее», и надобность той или иной технологии зависит от того, насколько мощное у игрока железо.
В консолях это самое железо известно заранее, и игроделы могут просто сами подобрать оптимальные параметры, скрыв их от глаз игроков. Но вот сделать такое для ПК — в принципе невозможно.

Тем временем, меню всё разрастается и разрастается…
Не удивлюсь, если через пару лет в сингле какого-нибудь ААА-шутера в туториал добявят объяснение графических настроек. А пока — я постараюсь помочь всем интересующимся сориентироваться во всём этом многообразии.

Сразу извиняюсь за возможно «не такой» формат повествования.
Вообще, это далеко не первый мой рассказ на подобную тему. Но обычно подобные темы я обсуждаю с другими такими же «CG-гиками» (коллегами по цеху). А вот в блогах на SG — я пишу впервые. Так что местами могу «не попасть» в то, как тут принято.
Постараюсь не разводить нудятину и осветить тему без излишних технических подробностей. Так что надеюсь обойти стороной всякие вертексные/пиксельные шейдеры, шейдерные модели, graphics pipeline и т.п. Но если что — ссаными тряпками прошу не закидывать.
Как говорится, «это мой первый пост, не судите строго».

Итак, ближе к делу. Рассказ о технологиях пойдёт в порядке их «свежести». А начнём с…

AMD TressFX

Эта технология — просто идеальный пример одного тренда, который прослеживается в игровой индустрии испокон веков. Суть его вот в чём: игровая индустрия сама по себе не придумывает практически никаких технологий.
Просто время идёт, мощности железа растут. И со временем, пускай и с какими-то упрощениями, становится возможным делать в реалтайме то, что раньше было доступно только в «тяжёлом» рендере… ну, то есть, в том, что геймеры именуют «CGI-роликами».
Иными словами, практически все технологии, появившиеся в играх — всего лишь упрощённое заимствование того, что уже давным-давно широко используется в кино и изучено вдоль и поперёк.

Собственно, что такое TressFX? А очень просто: это всего лишь готовый кусок программного кода от AMD, с помощью которого можно считать волосы на видеокарте.
Вообще 3D-шники умеют делать волосы уже много-много лет. Ты их не раз видел во всяких 3D-мультиках.

Пруф, картинки кликабельны (для разглядывания отдельных волосков)

Просто раньше это делалось на проце и требовало этих самых процов дофига. Естественно, ни о каком реалтайме — и речи быть не могло.
Поэтому в играх причёски в любом случае делались такими полигональными «лоскутками», на которых волосы были просто текстурой.

Иллюстрация: как оно выглядит на самом деле

Интересующимся

Предыдущие картинки взяты из легендарного в среде 3D-шников making-of’а модели «Varga» от Paul Tosca.
В самом making-of’е картинок ещё больше, и есть gif’ки, позволяющие посмотреть модельку со всех сторон.

А теперь гигагерцы выросли, видюхи растолстели. И игровые программисты могут просто взять этот готовый TressFX и воткнуть его в игру: волосы будут считаться в реалтайме на GPU. Считай, ничего делать не надо: покрутил пару параметров, настроил длину — и очередная пара косичек готова.

Причём, на видеокарте считается не только то, как эти волосы выглядят, но и их физика. То есть, как движется

каждый волосок.
В будущем это даст гораздо большую реалистичность стрижек у персонажей: они будут выглядеть, прям как настоящие. Но пока что видюхи попросту не настолько сильные, чтоб держать в кадре хотя бы две таких причёски.
Ну то есть даже на топовом Радеоне на расчёт одной такой шевелюры уходит столько же ресурсов, сколько на всю остальную сцену. В результате — игра тормозит, а волосы глючат (и выглядят хуже, чем сделанные по старинке). Что недавно вышедшая Лара наглядно продемонстрировала.
Так что на сегодняшний момент TressFX нужна не столько игрокам, сколько разработчикам. Это банально проще: не париться с созданием геометрии и текстур, а считать волосы по физике, «в лоб».

Интересующимся: техническая демонстрация TressFX

Интересующимся: мини-разбор TressFX 2.0 (на русском)

GPU Particles (частицы на видюхе)

Всё очень просто: видеокарта лучше справляется с задачами, которые легко распараллелить.
Ну то есть, считать много всего однотипного — это к видюхе. Считать что-то одно сложное — это к процу.

В DirectX 11 появилась такая штука (DirectCompute), которая позволяет разработчикам игр самостоятельно считать на GPU практически что угодно.
Естественно, благодаря этому те вещи, которые сами по себе хорошо параллелятся — первым же делом и были перенесены с проца на видюху. Что позволило увеличить детализацию этих «вещей» в несколько раз.

Ярчайший пример — системы частиц. У нас в кадре есть дофига маленьких-маленьких объектов. Вроде песчинок, снежинок, капель воды… Так вот. Раньше мы их считали на проце, поэтому приходилось исхитряться. Например, рисуя вместо одной частицы текстуру, где их 100.
А теперь — мы их считаем на видюхе, так что можем делать это по-честному. Вместе со всей физикой. Это позволяет нам ворочать в кадре буквально миллионами частиц, создавая просто ошеломительные эффекты.

Иллюстрация: во времена DX9 такое и не снилось

Интерактивное онлайн-демо с адским числом частиц прямо в браузере (требуется DX11 + нужно установить Unity Web Player)

Некоторые считают, что GPU-частицы, как и другие новомодные фичи — исключительно прерогатива DX11. На самом деле — современный OpenGL может всё то же самое, а местами — даже больше. В чём легко убедиться, погуглив на ютубе.
Так что…

Открою небольшой секрет

Тот факт, что современные игры выпускаются с упором на DirectX — это даже не какой-то заговор Мелко-Мягких, а банальная инерция игроделов.
С технической точки зрения ничто не мешало уже FarCry 3 или Crysis 3 работать не на DirectX, а на OpenGL. А он, вообще-то, кросс-платформенный. То есть, разработчики один раз пишут шейдер, который одинаково отработает и на Windows, и на MacOS, и на Linux.
А учитывая, какие операционки используются на PS4 и грядущем Steam Machines — улавливаешь мысль? Очень скоро произойдёт…
Ну да ладно, это уже совсем другая история.

Voxel Cone Tracing

Или, по-русски, воксельная коническая трассировка.
За этим страшным названием скрывается технология для расчёта рассеянного освещения (indirect illumination). Что такое «рассеянное освещение»? Проще будет показать.

По картинке будет понятнее

Видишь, на скриншотах свет попадает только на одну стенку и шторы. Но, отразившись от них (рассеявшись), он освещает всю остальную сцену. При чём, свет от зелёной шторы окрашивает всё в зелёный цвет, а от красной — в красный.
В реальной природе свет распространяется так же. Но в играх до последнего времени это было невозможно.

Как меняется сцена с рассеянным освещением

К сожалению, я пока что не встречал ни одного упоминания о том, чтобы какая-то игра использовала эту технологию. Даже в Battlefield, насколько мне известно, её не стали использовать, хотя поначалу хотели (ещё аж в BF3).
Но с недавним приходом консолей нового поколения — я очень надеюсь, что скоро она окажется в мэйнстриме.

Демонстрация освещения с Voxel Cone Tracing в реалтайме

Демонстрация плагина для движка Unity

Tesselation

Если ты более-менее интересуешься графоном, то я уверен, что уж это слово ты слышал.
Вот только, как я заметил, многие игроки не до конца понимают смысл этой технологии. Большинство считает, что это «такая штука», которая позволяет вместо плоского пола усыпать его камнями. И всё.
Вообще, да. Но она может не только это.
Сама по себе тесселяция пришла в DX11 из того же самого «тяжёлого рендера», из которого пришли и волосы, под ручку с рассеянным светом. К счастью, в отличие от TressFX эта технология гораздо лучше применима.
Что она делает? А очень просто: интерактивно, прямо во время игры разбивает один большой полигон на кучу маленьких. По сути, благодаря ей можно сделать так, чтоб количество полигонов в кадре всегда было примерно одинаковым. Независимо от того, насколько сильно мы приблизились к поверхности.
Объект очень далеко? Ну и отрисовывается в виде исходного кубика.
Камера наехала вплотную? Каждую исходную плоскость разбиваем 100500 раз.

Я почти уверен, что это демо ты уже видел, но для полноты картины…

Что это нам даёт? Ну, вообще-то, сама по себе тесселяция ничего не даёт. Но зато, если её комбинировать с другими технологиями — можно сделать тот самый «ГРАФОН!!!111», на который фапают графодрочеры.

В самом простом случае — да, можно добавить к тесселяции другую технологию (vector displacement), которая по специальной текстуре рельефа «выдавит» точки на тесселированом объекте. Это позволит добавить, собственно, рельеф, сделав прям-таки фотореалистично детализированный уровень.

Ты это наверняка видел в Crysis-ах

Но ведь двигать точки на поверхности можно не только по заранее сделанной фиксированной текстуре. Вместо текстуры величину смещения можно получать по какому-нибудь хитрому алгоритму. То есть прямо во время игры, при отрисовке каждого кадра для каждой точки вычисляется, куда её сместить… хм, не совсем понятно, наверное?
Давай так. Вот у текстуры — есть разрешение. Рано или поздно, когда ты приблизишься — увидишь пиксели. А у алгоритма разрешения нет. То есть, приближать/отдалять можно сколько угодно, не теряя при этом ни детализации, ни производительности. Таким способом (он называется procedural displacement) можно из одной плоскости… выдавливать целые ландшафты. И сколь близко бы ты на него ни смотрел — он всегда будет очень детализированным.

Наглядный пример

Мыслим шире: выдавливать ландшафт можно не только для какого-то одного уровня, но даже

для целых планет

Можешь прикинуть такие масштабы в новом Масс Эффекте?

Или такой пример. Представь, что при замерзании твоего персонажа на нём прямо по форме тела вырастают сосульки. Не внезапно появляются изниоткуда, а именно вырастают. Причём разработчикам для этого достаточно всего лишь 1 раз сделать материал с этим алгоритмом, и потом можно его применять вообще на любой объект.
На любой. То есть, целые уровни можно замораживать, просто накинув на все объекты этот материал.

Динамически генерируемые сосульки

И алгоритм для смещения может быть любым. Например, он может учитывать текущее время и благодаря этому заставлять этот рельеф двигаться. Ну допустим, у персонажа прямо будет видно, как пульсирует вена.
В общем, тесселяция напару с процедурным дисплейсментом открывает для разработчиков прям-таки безграничный арсенал выразительных средств.

Кроме того, использование тесселяции позволяет вообще отказаться от технологии LOD (Level of Detail), о которой я упоминал в начале. Проще говоря, разработчики за те же деньги смогут сделать больше объектов на уровне. То есть, не только сами объекты при близком разглядывании будут более детализированными, но и уровни в целом будут более разнообразными. Но это только если делать игру исключительно с расчётом на DX11 и соответствующее железо.

Так что если твой комп тянет тесселяцию — лучше по умолчанию её включать. Игра так будет не только более красивой, но и работать может быстрее.

Realtime Ambient Occlusion

Ещё её называют «contact shadows» (контактные тени).
Эта технология имитирует мягкие тени во «впадинках». Как она работает — объяснить будет сложно, да и не нужно. Главное — что для тех точек экрана, которые на уровне находятся в углах или очень близко с которыми находится поверхность другого объекта — рисуется затенение.
Технология также пришла из «старшей» графики, где она называется просто Ambient Occlusion (АО).
В играх она бывает нескольких видов:

SSAO

Расшифровывается как Screen-Space Ambient Occlusion — AO в пространстве экрана.
«в пространстве экрана» — это лишь означает способ, которым оно вычисляется. Он сложный и запутанный, так что тут его не объяснишь. Просто именно он позволил считать АО в реалтайме, поэтому попал в название. В наши дни практически любая игра поддерживает SSAO. И если комп тянет — его лучше включить, потому что этот эффект почти не отжирает ресурсов, но при этом существенно повышает реализм.

Пруф

HBAO

Horizon Based Ambient Occlusion — AO на основе горизонта.
Реализация SSAO от NVIDIA. Если сравнивать с простым SSAO — кой-чего улучшили, кой-чего ухудшили.
Чтоб корректно сравить разные виды SSAO в статье — надо смотреть «чистый» AO (на белых объектах) и с совершенно одинаковых ракурсов. Но я, к сожалению, таких сравнений не нашёл. Придётся на словах.
Избавились от одних артефактов и тем самым сделали алгоритм более физически корректным. Но появились другие артефакты. Ни те, ни другие не описать словами. Но вот в отличие от SSAO, HBAO «дёргается» при движении камеры, что есть совсем не гуд.
имхо, если выбирать между SSAO и HBAO — первое лучше.
Но в скором времени нвидия разработала слегка усовершенствованную версию — HBAO+. Она избавилась от артефактов «простой» HBAO и практически лишилась «шума». Правда, требует более свежую видюху — GTX 660 и выше. Зато работает немного быстрее.
Обычно HBAO медленнее, чем SSAO. Но в некоторых играх с некоторыми видеокартами от NVIDIA — работает быстрее. На видеокартах от AMD — точно медленнее.
Интересующимся: статья от самой NVIDIA

HDAO

High Definition Ambient Occlusion — AO высокого разрешения.
Реализация от AMD. Картинка натуральнее, чем с HBAO. Что лично меня как поклонника AMD/ATI — радует.
Но вот со скоростью — те же непонятки. На видюхах от AMD — быстрее, чем HBAO, но медленне, чем SSAO. На видюхах от нвидии — бывает по-разному. В том числе бывает, что HDAO быстрее, чем «родной» HBAO.

В общем, обычно HDAO/HBAO — медленнее и качественнее, чем SSAO. Качество картинки в любом случае улучшается так: SSAO — HBAO — HBAO+ — HDAO (хотя лично я считаю, что первые два надо поменять местами). Но вот какой вариант быстрее — проще самому попробовать в игре.

Сравнение разных видов АО в FarCry 3

Как-то так. На сегодняшний день — это все технологии, которые я могу причислить к относительно новым.
Пока что практически ни одна из них не используется широко. Но именно их существование подталкивает игровую индустрию вперёд. Разработчики игр видят те возможности, которые открывают эти новомодные «фичи». Но они вынуждены ориентироваться на среднестатистическое железо, поэтому пока не спешат внедрять всё и сразу.
Игроки же потихоньку это самое железо обновляют, приближая тот момент, когда все эти технологии станут «стандартным набором» и тем самым спровоцируют появление новых.
В общем, как всегда: поживём — увидим.

Bonus: DirectX 11 vs OpenGL 4

Многие годы DirectX царственно восседал на троне неоспоримого лидера по графическим прибамбасам. Чем Microsoft и жила. В эпоху Windows XP «играть в игры» было практически синонимом «пользоваться Windows». Да что уж там, ситуация сохраняется по сей день. Когда говорят «ПК», то по умолчанию подразумевается Windows 7 со встроенным в неё DirectX’ом.
На консолях есть свои графические библиотеки — но на то они и консоли. А на ПК безраздельно правит DirectX…

Однако в последнее время эта его «безраздельность» нехило так пошатнулась. Дело в том, что, действительно, OpenGL всегда не дотягивал до возможностей DirectX, из-за чего игроделы выбирали последнего. OGL всегда «как бы мог» всё то же самое, но со скрежетом. Всегда проигрывал по скорости. Всегда «не дотаягивал» по качеству итоговой картинки или количеству параметров.
Всегда.
До релиза OpenGL 4.

С его появлением в индустрии, можно сказать, пройдена точка невозврата. Если сравнивать DX11 и OGL 4 — то выясняется, что в конкретно этих двух версиях уже начинает лидировать OpenGL. Не с диким отрывом, нет. Потихоньку-помаленьку… вот тут рендерится быстрее, вот там возможностей больше, вот здесь код чище.
Но в сумме набирается, что сегодняшний OGL не только не уступает по возможностям перед DirectX, но в чём-то даже превосходит. Об этом я вскользь упоминал в разделе про GPU-партиклы. Но решил на этом остановиться поподробнее.
Ведь, пробежавшись взглядом по статье, я заметил, что все описанные в ней технологии, кроме TressFX, есть параллельно и на DX, и на OGL. А аналог TressFX в принципе можно сделать и на нынешнем OGL.

Относительно недавно даже появился специальный игровой движок — Unigine. Его, как говорится, «killing feature», на которую упирают создатели — это то, что он обеспечивает совершенно идентичную картинку на всех платформах. На Windows он использует DirectX, на остальных — OpenGL.
Собственно, та самая демка, которая демонстрирует прелести тесселяции, которую все видели — она сделана на Unigine:

С появлением движка Unigine — на ютубе стали вылазить сравнительные сплит-скрин бенчмарки одной и той же сцены на DX и на OGL. И, глядя на них, начинаешь замечать едва видимые, но отличия. Вот тут свет считается точнее, вот там расфокус размывается правильнее, вот здесь тесселяция плотнее, а линзовые эффекты физически корректнее.
А потом выясняется, что на некоторых конфигурациях OGL ещё и быстрее.
В общем, все и так поняли, что я хочу сказать. Оставлю свои эмоции в стороне и просто предоставлю одно из таких видео:

сплит-скрин сравнение OGL и DX

На этом первая часть моего рассказа заканчивается.
Часть 2: Апофеоз Past-Gen’а

stopgame.ru

Ambient Occlusion Volumes для прожженных самоваров / Хабр

Скитаясь по интернету в поисках алгоритмом освещения, которые бы удовлетворили мои потребности, я наткнулся на весьма новый алгоритм, разработанный компанией NVIDIA, название которого AOV (Ambient Occlusion Volumes). Имея в своём распоряжении тёмные осенние ночи и несколько чашек горячего кофе, я решился изучить данный алгоритм, следствием чего является данная статья. Прежде чем я начну, хотелось бы отметить своё удивление по поводу того, что данный алгоритм имеет незаслуженно малую популярность в кругах разработчиков игр, в отличии от всеми знакомого нам SSAO. Содержание данной статьи будет, по большей мере, состоять из теории.

Введение

В июне 2010 года Morgan McGuire, исследователь и разработчик компании NVIDIA, разработал алгоритм освещения, который носит название Ambient Occlusion Volumes. При разработке данного алгоритма, M. McGuire, ставил себе в цель добиться более высокой производительности и качества освещения. Производительность алгоритма, по словам разработчика, во многом независима от сложности моделей, а по качеству освещения не уступает Ray Tracing’у.

Немного об Ambient Occlusion

AO(Ambient Occlusion) является приближённым к GI(Global Illumination) алгоритмом, призванным к затенению пространств, на которых, фактически, не падают лучи света по причине того, что данные пространства условно перекрываются другими объектами, делая недоступным попадания лучей света к этому пространству. Сам алгоритм работает путём вычисления лучей, исходящих из точки, затенение которой мы проверяем, с последующей проверкой на пересечение объекта лучом. Если луч проходит без препятствий, то данная точка освещена, иначе — затенена.

Но при расчете таким алгоритмом возникают некие трудности. Через некоторое время на замену старому алгоритму пришёл SSAO(Screen Space Ambient Occlusion) от разработчиков компании Crytek. Сам алгоритм работал по такому принципу, что определяется некая сфера и в диапазоне этой сферы случайно отбираются точки после чего идёт проверка глубин(прежде записанных в буффер глубин) этих точек с той, для которой мы вычисляем затенение. Если глубина последней больше за глубину случайной точки, то она — затенена, а иначе, соответственно, освещена. Выполняется несколько таких проверок, после чего их результаты суммируются и вычисляется коэффициент затенения. Выглядит оно, примерно, так:
Благодаря своей простоте и, сравнительно, маленькой нагрузке, этот алгоритм стал излюбленный у многих разработчиков игр. Однако, он имеет кучу недостатков. Основная проблема этого алгоритма заключается в том, что при проверке глубины, выбранная точка может оказаться за гранью объекта который перекрывает проверяемую точку. Это приводит к тому, что точка будет считаться освещённой.

Далее мне бы хотелось рассмотреть еще одну немаловажную тему перед тем как будет описан AOV метод.

Radiosity

Многие из тех, кто знаком с названым методом нахмурились бы услышав данный метод в контексте Ambient Occlsuion. В действительности, эти методы тесно связаны друг с другом.

Если вы уверенны в своих знаниях, у вас есть возможность пропустить данный раздел и перейти к следующему. Между тем, мне бы хотелось коротко пройти по этой теме.

Метод radiosity, так же известный как метод излучательности, является одним из методов GI, который опирается на расчёт форм-факторов(form-factors), которые, в свою очередь, описывают обмен энергией между парами плоскостей в окружающей среде.

Если коротко, форм-факторы представляют собой некую часть энергии, которая излучается из одной плоскости и принимается другой. При расчёте форм-фактора учитывается расстояние между центрам плоскостей и углом поворота относительно друг друга.

Вычисляется форм-фактор таким образом:
где θi,j — угол между нормалью плоскости и Ri,j,, dA1,2 — дифференциальная область плоскости, Ri,j — вектор расстояния между dA1,2. В данном уравнении HID равно единице, если dA1,2 видимы друг для друга и ноль, если наоборот.

На расцвете данного метода использовались два подхода: Full Matrix Radiosity и Progressive Refinement Radiosity.

Full Matrix Radiosity

Суть данного подхода заключается в том, что окружающая среда дискретизирована в маленькие плоскости. Для каждой пары плоскостей вычисляется форм-факторы. После, форм-факторы используют для создания системы уравнений, которая устанавливает связь между плоскостями в окружающей среде. Решив эту системы, мы получаем интенсивность света, которую излучает плоскость. Однажды просчитав интенсивность, окружение может быть представлено в любом положении без дополнительных расчётов освещения.

Интенсивность света, который излучает плоскость вычисляем таким способом:

где pi -коэффициент отражения плоскости i; Fij — форм-фактор из плоскости i к плоскости j; Ii — raidosity плоскости i; Iei — интенсивность излучения плоскости i; N — количество плоскостей которые находятся в окружении.

Данный подход был неплох, но не позволял добиться детального и точного изображения. К тому же, он становился очень дорогим, когда на сцене присутствовало большое количество плоскостей.
Позже, этот метод был усовершенствован путём разбиения плоскостей на патчи(фрагменты), а в свою очередь каждый патч разбивался на элементы. Таким образом, мы получали более детальное изображение.

Форм-фактор от патча к патчу вычисляется так:

где Ei — количество элементов в патче, Fej — форм-фактор от элемента e к патчу j, Ai,e — области патча и элемента.

Progressive Refinement Radiosity

Данный подход основан на предыдущем. Особенность данного подхода состоит в том, что после каждой итерации происходит перерасчёт, а именно инкремент значения излучательности плоскости. Рассчитывается оно таким образом:
где Ii — уже просчитанное значение излучательности.

Проблемой данных подходов является сложность расчётов даже при простых формах объектов. Чтобы вычислить форм-фактор плоскости нам нужно произвести два раза интегрирование, не говоря уже об лишних расчётах. На решение этой проблемы пришёл Hemi-Cube Radiosity.

Hemi-Cube Radiosity

HC имеет схожесть с алгоритмом Nussalt Analog. Суть его была в том, что вокруг точки на плоскости размещается так называемая проекционная полусфера с единичным радиусом. Другая плоскость проецируется на эту полусферу и размещается на базе полусферы. Таким образом форм-фактор будет равен отношению области спроецированной плоскости в базе полусферы к области самой базы полусферы. Алгоритм HC в своей реализации использует, как вы уже могли догадаться, полукуб.

Стороны полукуба разбиваются на набор небольших дискретизированных плоскостей(hemi-cube pixels), каждая из которых имеет свой предрассчитанный форм-фактор. Когда вторая плоскость проецируется на полукуб, сумма форм-факторов дискретных областей на которых была спроецированна плоскость будет равна значению форм-фактора от точки на первой плоскости до второй плоскости.

К сожалению, данное решение имело ряд своих недостатков, что и стало причиной новых исследований в этом направлении. Если начать описывать недостатки данного метода, то статья сильно затянется, а нам этого ненужно.

Ambient Occlusion Volume

Во время разработки метода radiosity, Baum D.R. предложил такой метод вычисления форм-фактора:
где Gi — набор граней плоскости, Nj — нормаль дифференциальной плоскости j, Гg — величина равная углу гамма и направлению полученного при векторном произведении Rg и R(g+1), как показано на рисунку снизу:

M. McGuire вдохновился данным подходом и на основе последнего придумал AO алгоритм. Описывал он его так:

Пусть X будет очень маленьким патчем гладкого многообразия. Центроид X будет в точке, которая является началом нормали n. Полигоном P будет полигон с вершинами {p0,…,pk−1}, который полностью расположен на позитивной части плоскости, при условии p*n > 0. Таким образом, преграждение лучей света, создаваемое полигоном P, будет равно форм-фактору излучательной способности между P и X.

где j = (i+1) mod k.

Реализация AOV’s

В данном разделе, я попытаюсь рассмотреть реализацию данного алгоритма с точки зрения теории. Для работы с данным алгоритмом нам всё так же понадобиться буффер глубины и нормалей. Следующие операции будут происходить в геометрическом шейдере.

Рассмотрим выпуклый полигон P с вершинами {p0,…,pk−1}, которые при любой комбинации из 3-х вершин не создают коллинеарности. Сперва, нам нужно рассчитать затухающую функцию, которая нам понадобиться чтобы добиться плавности при переходах от near- к far-field освещению. Вычисляется она таким образом:

где а — 1 для твёрдых плоскостей, m(i

Выглядит оно таким образом:

Следующим пунктом в нашей реализации будет построение объема вокруг нашего полигона.
Чтобы это сделать, нам нужно рассчитать вектор смещения, который понадобиться для смещения вершин нашего объема относительно вершин полигона.

Хочется внеси еще один новый термин, который называется obscurance. Он отвечает за затухание эффекта перекрытия со сменой расстояния.

Вектор смещения мы получаем таким образом:

где δ является тем самым obescurance на максимальной дистанции.

Для наглядности:

И последним нашим шагом будет произведение затухающей функции( g ) на перекрытие полигоном P ( AOp(n) ). Так же, после всех операций следует применить т.н. blending.

После всего написанного здесь было бы грехом не приложить скриншоты, которые продемонстрируют работу AOV алгоритма. Эти скриншоты были сделаны компанией NVIDIA, а демо можно найти внизу статьи(опять же от NVIDIA).

Для сравнения с Ray Tracing’ом:

Заключение

Мы рассмотрели довольно непростой способ AO. Многие могут остаться недовольны, так как, вероятнее всего, жаждали увидеть реализацию в виде кода. К сожалению, слишком много информации вышло бы лишь для одной статьи. Впрочем, те кто загорелся желанием реализовать данный метод, может копнуть вглубь демо от NVIDIA, которое я приложу снизу.

P.S. У меня есть убедительная просьба к вам, дорогие читатели. Если вы нашли то, что мной описанный метод в некоторых местах является неправильным или просто есть ошибки в плане языка, сообщите мне, попытаюсь исправить все свои недочёты. Если у вас есть потребность увидеть данный алгоритм в виде кода, я попытаюсь выделить время и сделать демо.

→ Демо от NVIDIA

Литература

Мной было прочитано достаточное количество источников, но основной упор я делал именно на эти паперы:

— M. McGuire «Ambient Occlusion Volumes»
— «Improving radiosity solutions through the use of analytically determined form-factors»

Также хочу отметить, что большинство изображений было взято из последнего папера.

habr.com

Ambient occlusion — это… Что такое Ambient occlusion?

Использованы модели (сверху вниз): прямого освещения, Ambient occlusion (AO)и комбинированная модель AO и прямого освещения

Ambient occlusion относится к методам, основанным на доступности элемента поверхности для различных факторов, таких как грязь, свет и т. д.. Он получил популярность благодаря относительной простоте и достаточно высокой эффективности. Часто AO также называют «sky light».

Модель AO способствует лучшему восприятию объёма изображаемых объектов, нежели модель прямого освещения^[1].

Затенение в точке поверхности с нормалью может быть посчитано путём интегрирования функции видимости по полусфере :

где — значение функции видимости в точке , равное нулю, если луч из в направлении имеет пересечение с объектом, и равное единице в остальных случаях. На практике для взятия этого интеграла используются различные техники: возможно, одним из самых частоиспользуемых является метод Монте-Карло. Другой метод (более полно использующий возможности аппаратного ускорения) — рендеринг сцены из точки с растеризацией геометрии чисто чёрным цветом на белом фоне. Усредненное значение яркости полученного кадра и есть примерное значение функции в данной точке. Этот способ — пример собирательного метода (метод изнутри-наружу), в то время, как другие подходы (такие, как depth-map ambient occlusion) используют рассеивание (метод снаружи-внутрь).

Кроме значения затенения часто вычисляют дополнительный вектор («отклоненная нормаль»), показывающий примерное направление к открытому (незатенённому) пространству. Этот вектор может быть использован для получения освещения из карты окружения. Однако бывают ситуации, когда вектор показывает отнюдь не в направлении максимального освещения.

См. также

Примечания

↑ «Depth discrimination from shading under diffuse lighting», M.S. Langer and H. H. Buelthoff, Perception. 29 (6) 649—660, 2000.

Внешние ссылки

dic.academic.ru

Ambient occlusion что это в играх — PlayGames

Комментарии пользователей Medvedok 02.12.2017 — 19:02

Вступление: 0:00 — 0:17 Частицы: 0:17 — 1:01 Трава: 1:02 — 1:43 AO (ambient occlusion/глобальное затенение): 1:43 — 3:50 Геометрия: 3:50 — 4:34 Заключение: 4:34 — 5:02

Samp Soft 04.12.2017 — 16:42

Норм. Рассказал даже лучше чем топ каналы. Подпишусь.

Medvedok 06.12.2017 — 09:58

Спасибо, ценю)

Алексей Михалев 07.12.2017 — 00:10

Чувак ты отлично осветил тему, продолжай в том же духе!

Medvedok 09.12.2017 — 07:21

Алексей Михалев спасибо, будем стараться)

Zure 09.12.2017 — 11:02

топ

Medvedok 10.12.2017 — 12:18

Спасибо)

auto-traide.ru

окклюзия, сглаживание, фильтрация — Как и с чем её едят / Персональный блог AbuseReviews

Приветствую всех Стопгеймеров! Давайте начистоту, вы ведь тоже заходите в только купленную игру, но сперва кликаете на графические настройки? Кто ради чего, кому-то ради самоутверждения надо глянуть на ультра-автонастройку благодаря своему мощному «железу», а кто-то просто лезет туда ради интереса.Однако, задумывались ли вы, чем отличаются FXAA и TXAA, или 8х и 16х анизотропная фильтрация? Как-раз в этом блоге, группа Abuse Reviews сейчас вам расскажет и покажет, что же это за фильтрации такие, как они работают и с чем их едят. Поехали!

Также есть и видеоформат блога 🙂

P.S.
прошлом блоге количество материала в ролике было урезано, здесь эта ошибка была учтена, очень старался для вас.Приятного просмотра)
Давайте начнём с самого-самого простого

Разрешение экрана

Мало кто не знает, что разрешение — это количество отображаемых пикселей по горизонтали и вертикали. От этой настройки также зависит качество картинки и то, как сильно будут выражены «лесенки» в переходах между разными плоскостями\поверхностями. Но почему же возникает этот графический артефакт? Дело в том, что все графические элементы в играх состоят из пикселей, но таких проблем с прямыми линиями не происходит, но стоит только чуть её наклонить, как появляются «лесенки». Возникает это из-за отсутствия плавного перехода между цветами, которое обеспечивает сглаживание, вот о нём мы сейчас и поговорим.

Сглаживание

Самое главное его предназначение — борьба с теми самыми «ступеньками», которые все так не любят. Сглаживание обеспечивает нам плавный переход между цветами, за счёт чего изображение получается куда комфортнее, устраняя «ступеньки». Да, картинка однозначно становится красивой, но всегда приходится чем-то жертвовать, а именно производительностью. За счёт появления новой задачи, процессору и видеокарте приходится рендерить(обрабатывать) все эти дополнительные оттенки, которое даёт нам сглаживание. Но, к счастью, существует много видов сглаживания, которые предоставляют нам разработчики в настройках. Их то мы сейчас и рассмотрим:

MSAA (Множественная Выборка Сглаживания\Multi-Sampling Anti-Aliasing)

Этот вид сглаживания не слишком сильно нагружает процессор, потому что он обрабатывает лишь те части кадра, которые выглядели бы неровными, а выбирает он эти части независимо от того, где и как они располагаются.

FXAA (Быстрое Приблизительное Сглаживание\Fast approXimate Anti-Aliasing)

Это самый быстрый и менее затратный в плане ресурсов метод сглаживания. Отличие от прошлого метода сглаживания заключается в нескольких аспектах. В первую очередь, FXAA применяется к изображению в том разрешении, в котором вы играете, также размывает картинку сильнее, что выглядит совсем не лучше, чем MSAA, зато расходует на порядок меньше ресурсов, из-за чего этот вид сглаживания почти не вредит вашему FPS

TXAA (Временное Сглаживание\Temporal antialiasing)

Пожалуй, это лучший вид сглаживания, который сильно похож на MSAA, но с некоторыми дополнениями. Дело в том, что TXAA учитывает и берёт в расчёт предыдущие кадры и сглаживает последующие путём усреднения цветов.

Большее разрешение

Да, это не вид сглаживания, но избавляется от лесенок этот способ довольно неплохо, но при одном условии, которое свойственно не каждому пк. Ведь не у всех есть 2\4К мониторы, которые позволяют увеличить разрешение больше 1920х1080. За счёт уменьшения пикселей «лесенки» остаются, но становятся куда меньше, однако это влияет на производительность больше всего из перечисленных способов. Так что этот метод подойдёт только обладателям мониторов с очень высоким разрешением и мощным железом. Забавно слушать легенды о том, что если поставить 2к или 4к разрешение в игре на FullHD мониторе, то картинка станет лучше. Решил я это проверить на примере GTA V и что-то не увидел разницы до и после, ни в фреймрейте, ни качестве.

Проблем никогда не бывает мало. В этом случае нет никаких исключений, ведь кроме «ступенек» встречается такой артефакт, как разрыв картинки. Это происходит, когда ваши монитор и видеокарта пытаются работать синхронно, но по какой-то причине эти парни не могут этого сделать, причиной является частота кадров и частота обновления монитора. К примеру, вы находитесь в какой-то загруженной локации, а ваша видеокарта старается держать стабильную частоту, в то время как монитор обновляет изображение на одной и той же частоте. Если они не синхронизируются между собой, то как раз и появляется такой разрыв. И для решения этой проблемы предназначен следующий параметр:

Вертикальная синхронизация

Этот параметр заставляет работать видеокарту на той же частоте, что и монитор, однако из-за этого возникают уже другие проблемы, к примеру, частота кадров может сильно падать из-за того что в игре появляется слишком много объектов, которые приходится обрабатывать. Но и для этой беды есть решение, которое называется — горизонтальная синхронизация. Принцип действия заключается в том, что модуль, встроенный в монитор заставляет экран обновляться сразу же при получении нового кадра, что способствует идеальному совпадению частот видеокарты и монитора. Благодаря всему этому, производительность компьютера не уменьшается, а монитор и видеокарта работают максимально слаженно.

На этом о проблемах картинки и артефактах — всё

Тесселяция

Тут стоит обратить внимание на контур головы 47-го

А вот она создана не для того чтобы исправлять косяки в картинке, а улучшать её и делать более насыщенной и реалистичной. Многие из нас знают, что 3д-объекты в играх состоят из полигонов (мелких частиц). Тесселяция подразумевает разбиение полигонов на более мелкие части, чтобы генерировать больше деталей у объекта. Это особенно удобно для выделения высоты и глубины объектов. Также она способствует созданию более закругленных объектов без острых форм и углов.

Окклюзия окружения (Ambient Occlusion)

Лично я занимаюсь созданием 3д-моделей в Cinema 4D и довольно хорошо знаком с этой фичей.

Мой первый проект с использованием AO

Она позволяет создавать искусственные тени, таким образом, в идеале, геймдизайнеры и создатели 3д-анимаций предпочитают использовать движки, поддерживающие функцию глобального освещения, которое позволяет создавать освещение идентичное реальному, а всё благодаря вычислениям точных оттенков каждого из пикселей, в зависимости от общего количества света, попадаемого на него. Знаю, что звучит это сложновато, но как же это преобразовывает картинку… словами не описать. Такое освещение очень подходит для различных кинематографичных сцен в мультфильмах или кат-сцен в играх, но это оказывает очень сильную нагрузку на железо, но на то у нас и есть окклюзия окружения, которая создаёт искусственные тени там, где они должны располагаться.
Для начала стоит разобраться с освещением в играх. В них источником света является естественное освещение, которое является упрощённой версией глобального освещения, где расположение теней зависит от того, есть ли перед источником естественного освещения какое-либо препятствие, но это даёт нам более плоские тени в меньшем количестве, чем хотелось бы. Тут и наступает триумф окклюзии окружения, ведь она определяет расположение дополнительных теней с поммощью трассировки лучшей, а именно вычисляет, сколько солнечных лучшей блокируется рядом со стоящими объектами. То есть, если один объект загораживает другой, то поверхность второго объекта, разумеется, будет находиться в тени. Впадины, углубления и тому подобное начинает больше выделяться с помощью окклюзии.В огромном большинстве случаев этот параметр уже «вшит» в графические настройки, что не позволяет включать и выключать его. Но это всё окклюзия окружения в общем. Наверняка вы все сталкивались с такими параметрами освещения как SSAO,HBAO и HDAO?

SSAO ( окклюзия окружения в экранном пространстве\screen space ambient occlusion)

Она взяла своё начало со времён первого Crysis, благодаря компании Crytek, по-сути оно заключается в вычислении глубины каждого пикселя и пытается вычислить количество преград от каждой из выбранных точек. Алгоритм SSAO призван упростить вычислительную сложность алгоритма Ambient occlusion и сделать его подходящим для работы на графических процессорах в режиме реального времени. Вместе с тем качество результирующего изображения у SSAO является худшим, чем в первоначальном Ambient occlusion, так как SSAO использует упрощённые методики рендеринга(обработки изображения).

HBAO (Горизонтально-базированная Окклюзия\Horizon Based Ambient Occlusion)

Имеет тот же принцип работы, что и SSAO но несколько усовершенствованный. Просто вычисления глубины производятся с большим числом выборок, но приходится жертвовать производительностью.

HDAO (Высококачественная Окклюзия\High Definition AO)

Одно основывается на другом. Таким же образом как SSAO отличается от HBAO, HDAO от HBAO отличается точно тем же, ну и ещё эта окклюзия была представлена нам компанией AMD.

Ну а что по кинематографичности?

Глубина резкости

Неплохо так нагружает вашу систему, но и так же неплохо придаёт картинке кинематографичности, а всё благодаря фокусу на конкретных объектах, благодаря чему, остальные объекты размываются. Но это может привнести неудобства, как например при игре в PUBG, во время выглядывания из окна (ну вы знаете, когда упираешься лицом в стену как идиот и видишь всё что происходит за ней) иногда замыливается вид в окне, а фокус идёт на стену или оконную раму. Очень раздражает. Однако кинематографичность, опять же, дарит нам положительные впечатления об игре.

Ну и последнее о чём хотелось бы рассказать

Анизотропная фильтрация

А вот этот параметр уж точно видел каждый, но далеко не все понимают как это работает. Объясню быстро и просто. Во имя сохранения FPS разработчики используют нехитрый трюк с понижением качества текстур и моделей по мере отдаления от них. Зачастую мы можем наблюдать размытие текстуры пола вдали от себя, но если мы включим фильтрацию, то границы между различными уровнями детализации размываются. Плюс такой фильтрации в том, что вы можете со спокойной душой ставить значение 16х, ведь этот параметр почти не оказывает давления на процессор и видеокарту.

Ну а на этом всё. Если вам понравился этот блог и вы узнали что-то новое, обязательно жмите на плюс, а также интересно узнать, нравится ли вам качество видеоформата, если вы его глянули? Большое спасибо вам за внимание, всем удачных каток и стабильного FPS!