Смартфон Nokia N9: обзор, характеристики и отзывы. Концепция быстродействия на “другой” ОС
Полностью исходный код содержится в примерах, доступных по ссылке в конце статьи.
До сих пор мы освещали всю сцену всего одним источником света, для чего выводили прямоугольник размером со все окно, и также никак не учитывали тот факт, что освещенность сильно зависит от расстояния от источника света до освещаемой точки.
Учет последнего обстоятельства позволяет для каждого источника света определить область влияния (для обычных точечных источников это будут просто шары), за пределами которой вкладом данного источника в освещенность сцены можно пренебречь.
Поэтому если мы имеем дело с большим количеством источников света с небольшим радиусом действия, то вместо вывода прямоугольника размером со все окно, можно просто выводить лицевую (или нелицевую) часть области влияния источника (т.е. сферы). За счет этого можно значительно уменьшить количество пикселов, обрабатываемых для каждого источника света, а следовательно, и поднять быстродействие.
Однако даже этот подход можно еще больше оптимизировать - дело в том, что далеко не все фрагменты, соответствующие границе области влияния источника света, на самом деле попадают в эту область (см. рис 6).
Рис 6. Часть сферы, действительно требующая обработки.
Как видно из данного рисунка необходимо вычислять освещенность только для тех фрагментов нелицевой части границы области влияния источника (сферы), для которых не пройден тест глубины.
Это позволяет использовать буфер трафарета (отключив при этом запись во все остальные буфера) для выделения фрагментов, действительно требующих освещения.
При этом каждый источник требует двух проходов - на первом (очень быстром, так как идет запись только в буфер трафарета) помечаются те фрагменты, которые нужно освещать (т.е. для которых тест глубины не пройден), а на втором - осуществляется вычисление освещенности тех фрагментов, которые проходят тест трафарет.
При этом выигрыш получается за счет того, что шейдер освещения, являющийся гораздо более "тяжелым" выполнится для гораздо меньшего числа точек - только тех, для которых он играет значение. Т.е. цена прохода вычисляющего освещение становится заметно ниже, а цена первого прохода, осуществляющего только запись в буфер трафарета, очень низка, что и дает выигрыш.
Таким образом, первый проход запрещает запись во все буфера, кроме буфера трафарета, устанавливает отсечение лицевых граней, в качестве теста глубины задает режим GL_LESS, в качестве теста трафарета задает режим GL_ALWAYS и задает операцию GL_REPLACE для тех фрагментов, для которых не пройден тест глубины.
В результате этого прохода у нас в буфере трафарета будут помечены заданным значением только те пикселы, которые требуют освещения.
Второй проход опять выводит только нелицевые грани области влияния источника света, выключив запись в буфер глубины и буфер трафарета, однако задав отбрасывание при помощи теста трафарета ненужных фрагментов.
Естественно, что этот подход имеет смысл применять только в тех случаях, когда выигрыш от его применения может быть значительным. Если количество фрагментов, соответствующих всей области влияния источника света составляет всего сотню пикселов, то очевидно, что все эти оптимизации для данного источника обойдутся дороже. Однако, если источник накрывает почти половину всего экрана, то такой подход способен дать вполне реальный выигрыш.
После этого идет освещение нужных участков сцены. Фрагментный шейдер для этого очень прост, использует всего 3-4 текстуры, общие для всех источников света.
Поэтому стоимость освещения определяется фактически только количеством реально освещаемых пикселов для каждого источника света.
Понятно, что в эту схему можно очень легко добавить поддержку теней для источников за счет использование теневых карт (это полностью аналогично стандартному применению теневых карт при обычном рендеринге).
Однако далеко не для всех источников света нужны тени и даже для отбрасывающих тени источников света обновление их теневых карт можно осуществлять довольно редко (и используя сильно упрощенные модели при построении теневых карт).
Еще одним вариантом оптимизации работы с большим количеством источников света заключается в разбиении окна на набор одинаковых прямоугольников (см рис 7). После это на CPU для каждого такого прямоугольника составляется список всех источников света, освещающих его точки.
Далее можно просто вывести по очереди все эти прямоугольники, передавая при этом в шейдер соответствующий список источников света. Фрагментный шейдер для каждого фрагмента обрабатывает сразу все источники света из списка.
Рис 7.Разбиения окна на прямоугольники для локализации небольших источников света.
Довольно часто возможность поддерживать одновременно сотни источников света используется для моделирования глобальной освещенности - создается ряд "фиктивных" источников света, моделирующих отбрасывание света освещаемыми поверхностями (так называемое вторичное освещение).
Для этого от "настоящих" источников света трассируется некоторое количество лучей и в точках попадания этих лучей на поверхности сцены создаются фиктивные источники света (цвет и интенсивность этих источников определяются цветом поверхности в месте попадания луча и расстоянием до исходного источника света).
При этом положения этих источников (равно как и их яркость и цвет) изменяются довольно редко и обычно нет никакой необходимости в отбрасывания этими источниками теней. Это позволяет достаточно эффективно использовать deferred shading для подобного имитирования глобальной освещенности.
В игре STALKER была также реализована еще одна интересная идея - кроме двух цветов в одном из свободных каналов G-буфера хранится номер (индекс) материала - materialId .
На этапе освещения materialId используется для выбора слоя из 3D-текстуры, определяющей свойства материала. Фактически основным свойством материала является то, как по двум скалярным произведениям - (n,l) и (n,h) - получить коэффициенты смешивания двух базовых цветов с учетом собственной светимости материала (в игре ряд объектов обладают собственной светимостью, например, глаза монстров).
Таким образом все свойства материала были сведены в одну трехмерную текстуру, для индексирования которой использовались два скалярных произведения ((n,l) и (n,h) ) и индекс материала. В результате получались коэффициенты для смешивания цветов и собственной светимости. При этом по утверждениям разработчиков выяснилось, что принципиально разных материалов крайне мало.
За счет этого удалось прийти к очень небольшому числу материалов (не более 10), размер текстуры для индексирования по (n,l) был взят равным 16, для индексирования по (n,h) - равным 256.
На самом деле использование materialId позволяет легко добавлять поддержку принципиально разных типов шейдеров - просто в шейдере освещения проверяется materialId и в зависимости от его значения выполняется заданная ветвь вычислений.
В DX10.1-версии deferred shading "а в игре STALKER:Чисто небо была использована интересная оптимизация - использовался G -буфер, состоящий всего из двух текстур. В одной текстуре формата RGBA8 хранился диффузный цвет (в RGB компонентах) и собственная светимость em (в альфа-компоненте). Вторая текстура (формата RGBA_16F) в первой компоненте хранила z eye , во второй и третьей - n x и n н , в четвертую были упакованы сразу две величины - materialId и ambient occlusion .
Рис 8. Строение G-буфера в игре STALKER:Чистое Небо.
За счет использования подобного подхода удалось заметно сократить количество бит на один пиксел. Обратите внимание на то, что используемые текстуры имеют разное количество бит на пиксел - подобная возможность (использования при MRT текстур с разным числом бит на пиксел) появилась на GPU с 4-й шейдерной моделью (GeForce 8xxx).
Построенный G -буфер можно также использовать и для реализации ряда других эффектов, таких как слоистый туман, мягкие частицы , screen-space ambient ocllusion(SSAO) и др.
Алгоритм deferred shading кроме ряда плюсов обладает и некоторыми недостатками - он не поддерживает полупрозрачные объекты и стандартные средства антиалиасинга довольно плохо ложатся на его архитектуру.
Однако есть пути обхода этих недостатков. Так для работы с полупрозрачными объектами традиционным приемом является (как и при традиционном способе рендеринга) - отсортировать и вывести все полупрозрачные объекты уже после вывода и освещения всей сцены (используя при этом буфер глубины с первого прохода).
Это может дать и некоторые плюсы - так при рендеринге воды, можно использовать значения z для дна, для точного расчета преломления.
На сайте Humus" а можно скачать альтернативный вариант работы с полупрозрачными объектами в deferred shading , только этот пример требует DX10 (а значит и убожество под названием m$ vi$ta).
В книге ShaderX7 был предложен довольно красивый способ работы с полупрозрачными объектами, не требующий увеличения размера G -буфера. Идея подхода крайне проста - мы сохраняем альфа-значения для фрагментов в G -буфере (например в альфа-канале диффузного цвета) и полупрозрачный объект выводится через строку. При этом у нас в G -буфере оказывается как информация о полупрозрачной поверхности, так и информация о том, что лежит за ней.
Ниже приводится фрагментный шейдер первого прохода, используемый для рендеринга полупрозрачного объекта.
Рендеринг
Вследствие этого, было разработано четыре группы методов, более эффективных, чем моделирование всех лучей света, освещающих сцену:
- Растеризация (англ. rasterization ) совместно с методом сканирования строк (англ. scanline rendering ). Визуализация производится проецированием объектов сцены на экран без рассмотрения эффекта перспективы относительно наблюдателя.
- Ray casting (рейкастинг ) (англ. ray casting ). Сцена рассматривается, как наблюдаемая из определённой точки. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. При этом лучи прекращают своё распространение (в отличие от метода обратного трассирования), когда достигают любого объекта сцены либо её фона. Возможно использование каких-либо очень простых способов добавления оптических эффектов. Эффект перспективы получается естественным образом в случае, когда бросаемые лучи запускаются под углом, зависящим от положения пикселя на экране и максимального угла обзора камеры.
- Трассировка лучей (англ. ray tracing ) похожа на метод бросания лучей. Из точки наблюдения на объекты сцены направляются лучи, с помощью которых определяется цвет пиксела на двумерном экране. Но при этом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три компонента, луча, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пиксела на двумерном экране: отражённый, теневой и преломленный. Количество таких разделений на компоненты определяет глубину трассирования и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, но при этом он очень ресурсоёмкий, и процесс визуализации занимает значительные периоды времени.
- Трассировка пути (англ. path tracing ) содержит похожий принцип трассировки распространения лучей, однако этот метод является самым приближенным к физическим законам распространения света. Также является самым ресурсоёмким.
Передовое программное обеспечение обычно совмещает в себе несколько техник, чтобы получить достаточно качественное и фотореалистичное изображение за приемлемые затраты вычислительных ресурсов.
Математическое обоснование
Реализация механизма рендеринга всегда основывается на физической модели. Производимые вычисления относятся к той или иной физической или абстрактной модели. Основные идеи просты для понимания, но сложны для применения. Как правило, конечное элегантное решение или алгоритм более сложны и содержат в себе комбинацию разных техник.
Основное уравнение
Ключом к теоретическому обоснованию моделей рендеринга служит уравнение рендеринга. Оно является наиболее полным формальным описанием части рендеринга, не относящейся к восприятию конечного изображения. Все модели представляют собой какое-то приближённое решение этого уравнения.
Неформальное толкование таково: Количество светового излучения (L o), исходящего из определённой точки в определённом направлении есть собственное излучение и отражённое излучение. Отражённое излучение есть сумма по всем направлениям приходящего излучения (L i), умноженного на коэффициент отражения из данного угла. Объединяя в одном уравнении приходящий свет с исходящим в одной точке, это уравнение составляет описание всего светового потока в заданной системе.
Программное обеспечение для рендеринга - рендеры (визуализаторы)
- 3Delight
- AQSIS
- BMRT (Blue Moon Rendering Tools) (распространение прекращено)
- BusyRay
- Entropy (продажи прекращены)
- Fryrender
- Gelato (разработка прекращена в связи с покупкой NVIDIA , mental ray)
- Holomatix Renditio (интерактивный рейтрейсер)
- Hypershot
- Keyshot
- Mantra renderer
- Meridian
- Pixie
- RenderDotC
- RenderMan (PhotoRealistic RenderMan, Pixar’s RenderMan или PRMan)
- Octane Render
- Arion Renderer
Рендереры, работающие в реальном (или почти в реальном) времени.
- VrayRT
- Shaderlight
- Showcase
- Rendition
- Brazil IR
- Artlantis Render
- Autodesk 3ds Max (Scanline)
- e-on Software Vue
- SideFX Houdini
- Terragen , Terragen 2
Таблица сравнения свойств рендеров
| RenderMan | mental ray | Gelato (разработка прекращена) | V-Ray | finalRender | Brazil R/S | Turtle | Maxwell Render | Fryrender | Indigo Renderer | LuxRender | Kerkythea | YafaRay | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| совместим с 3ds Max | Да, через MaxMan | встроен | Да | Да | Да | Да | Нет | Да | Да | Да | Да | Да | Нет |
| совместим с Maya | Да, через RenderMan Artist Tools | встроен | Да | Да | Да | Нет | Да | Да | Да | Да | Да | Нет | |
| совместим с Softimage | Да, через XSIMan | встроен | Нет | Да | Нет | Нет | Нет | Да | Да | Да | Да | Нет | |
| совместим с Houdini | Да | Да | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Да | Да | Нет | Нет | |
| совместим с LightWave | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Да | Да | Нет | Нет | Нет | |
| совместим с Blender | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Да | Да | Да | Да |
| совместим с SketchUp | Нет | Нет | Нет | Да | Нет | Нет | Нет | Да | Да | Да | Нет | Да | Нет |
| совместим с Cinema 4D | Да (начиная с 11-ой версии) | Да | Нет | Да | Да | Нет | Нет | Да | Да | Да | Да | Нет, заморожен | Нет |
| платформа | Microsoft Windows , Linux , Mac OS X | Microsoft Windows , Linux , Mac OS X | |||||||||||
| biased, unbiased (без допущений) | biased | biased | biased | biased | biased | biased | biased | unbiased | unbiased | unbiased | unbiased | ||
| scanline | Да | Да | Да | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет | ||
| raytrace | очень медленный | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Нет | Нет | Нет | Нет | Да | |
| алгоритмы Global Illumination или свои алгоритмы | Photon, Final Gather (Quasi-Montecarlo) | Light Cash, Photon Map, Irradiance Map, Brute Force (Quasi-Montecarlo) | Hyper Global Illumination, Adaptive Quasi-Montecarlo, Image, Quasi Monte-Carlo | Quasi-Montecarlo, PhotonMapping | Photon Map, Final Gather | Metropolis Light Transport | Metropolis Light Transport | Metropolis Light Transport | Metropolis Light Transport, Bidirectional Path Tracing | ||||
| Camera - Depth of Field (DOF) | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да |
| Camera - Motion Blur (vector pass) | очень быстрый | Да | быстрый | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | |
| Displacement | быстрый | Да | быстрый | медленный, 2d и 3d | медлленный | Нет | быстрый | Да | Да | Да | Да | ||
| Area Light | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | |||
| Glossy Reflect/Refract | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | |
| SubSurface Scattering (SSS) | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Да | Нет | Да | |
| Standalone | Да | Да | Да | 2005 года (сырая) | Нет | Нет | Нет | Да | Да | Да | |||
| текущая версия | 13.5,2,2 | 3.7 | 2.2 | 2.02a | Stage-2 | 2 | 4.01 | 1.61 | 1.91 | 1.0.9 | v1.0-RC4 | Kerkythea 2008 Echo | 0.1.1 (0.1.2 Beta 5a) |
| год выпуска | 2000 | (?) | (?) | 2006 | 2011 | 2008 | |||||||
| библиотека материалов | Нет | 33 My mentalRay | Нет | 2300+ vray-materials | 30 оф. сайт | 113 оф. сайт | Нет | 3200+ оф. сайт | 110 оф. сайт | 80 оф. сайт | 61 оф. сайт | ||
| основан на технологии | liquidlight | Metropolis Light Transport | |||||||||||
| normal mapping | |||||||||||||
| IBL/HDRI Lighting | Да | ||||||||||||
| Physical sky/sun | Да | Да | |||||||||||
| официальный сайт | MaxwellRender.com | Fryrender.com | IndigoRenderer.com | LuxRender.net | kerkythea.net | YafaRay.org | |||||||
| страна производитель | США | Германия | США | Болгария | Германия | США | Швеция | Испания | Испания | ||||
| стоимость $ | 3500 | 195 | бесплатное | 1135 (Super Bundle) 999 (Bundle) 899 (Standart) 240 (Educational) | 1000 | 735 | 1500 | 995 | 1200 | 295€ | бесплатное, GNU | бесплатное | бесплатное, LGPL 2.1 |
| основное преимущество | Baking высокая скорость (не очень высокое качество) | бесплатное | бесплатное | бесплатное | |||||||||
| компания производитель | Pixar | mental images (c 2008 NVIDIA) | NVIDIA | Chaos Group | Cebas | SplutterFish | Illuminate Labs | Next Limit | Feversoft |
См. также
- Алгоритмы использующие z-буфер и Z-буферизация
- Алгоритм художника
- Алгоритмы построчного сканирования like Reyes
- Алгоритмы глобального освещения
- Излучательность
- Текст как изображение
Хронология важнейших публикаций
- 1968 Ray casting (Appel, A. (1968). Some techniques for shading machine renderings of solids. Proceedings of the Spring Joint Computer Conference 32 , 37-49.)
- 1970 Scan-line algorithm (Bouknight, W. J. (1970). A procedure for generation of three-dimensional half-tone computer graphics presentations. Communications of the ACM )
- 1971 Gouraud shading (Gouraud, H. (1971). Computer display of curved surfaces. IEEE Transactions on Computers 20 (6), 623-629.)
- 1974 Texture mapping PhD thesis , University of Utah.)
- 1974 Z-buffer (Catmull, E. (1974). A subdivision algorithm for computer display of curved surfaces. PhD thesis )
- 1975 Phong shading (Phong, B-T. (1975). Illumination for computer generated pictures. Communications of the ACM 18 (6), 311-316.)
- 1976 Environment mapping (Blinn, J.F., Newell, M.E. (1976). Texture and reflection in computer generated images. Communications of the ACM 19 , 542-546.)
- 1977 Shadow volumes (Crow, F.C. (1977). Shadow algorithms for computer graphics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1977) 11 (2), 242-248.)
- 1978 Shadow buffer (Williams, L. (1978). Casting curved shadows on curved surfaces. 12 (3), 270-274.)
- 1978 Bump mapping (Blinn, J.F. (1978). Simulation of wrinkled surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1978) 12 (3), 286-292.)
- 1980 BSP trees (Fuchs, H. Kedem, Z.M. Naylor, B.F. (1980). On visible surface generation by a priori tree structures. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1980) 14 (3), 124-133.)
- 1980 Ray tracing (Whitted, T. (1980). An improved illumination model for shaded display. Communications of the ACM 23 (6), 343-349.)
- 1981 Cook shader (Cook, R.L. Torrance, K.E. (1981). A reflectance model for computer graphics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1981) 15 (3), 307-316.)
- 1983 Mipmaps (Williams, L. (1983). Pyramidal parametrics. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1983) 17 (3), 1-11.)
- 1984 Octree ray tracing (Glassner, A.S. (1984). Space subdivision for fast ray tracing. 4 (10), 15-22.)
- 1984 Alpha compositing (Porter, T. Duff, T. (1984). Compositing digital images. 18 (3), 253-259.)
- 1984 Distributed ray tracing (Cook, R.L. Porter, T. Carpenter, L. (1984). Distributed ray tracing. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 137-145.)
- 1984 Radiosity (Goral, C. Torrance, K.E. Greenberg, D.P. Battaile, B. (1984). Modelling the interaction of light between diffuse surfaces. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1984) 18 (3), 213-222.)
- 1985 Hemi-cube radiosity (Cohen, M.F. Greenberg, D.P. (1985). The hemi-cube: a radiosity solution for complex environments. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1985) 19 (3), 31-40.)
- 1986 Light source tracing (Arvo, J. (1986). Backward ray tracing. SIGGRAPH 1986 Developments in Ray Tracing course notes )
- 1986 Rendering equation (Kajiya, J.T. (1986). The rendering equation. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1986) 20 (4), 143-150.)
- 1987 Reyes algorithm (Cook, R.L. Carpenter, L. Catmull, E. (1987). The reyes image rendering architecture. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1987) 21 (4), 95-102.)
- 1991 Hierarchical radiosity (Hanrahan, P. Salzman, D. Aupperle, L. (1991). A rapid hierarchical radiosity algorithm. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1991) 25 (4), 197-206.)
- 1993 Tone mapping (Tumblin, J. Rushmeier, H.E. (1993). Tone reproduction for realistic computer generated images. IEEE Computer Graphics & Applications 13 (6), 42-48.)
- 1993 Subsurface scattering (Hanrahan, P. Krueger, W. (1993). Reflection from layered surfaces due to subsurface scattering. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1993) 27 (), 165-174.)
- 1995 Photon mapping (Jensen, H.J. Christensen, N.J. (1995). Photon maps in bidirectional monte carlo ray tracing of complex objects. Computers & Graphics 19 (2), 215-224.)
- 1997 Metropolis light transport (Veach, E. Guibas, L. (1997). Metropolis light transport. Computer Graphics (Proceedings of SIGGRAPH 1997) 16 65-76.)
Note : Deferred Lighting is considered a legacy feature starting with Unity 5.0, as it does not support some of the rendering features (e.g. Standard shader, reflection probes). New projects should consider using Deferred Shading rendering path instead.
NOTE: Deferred rendering is not supported when using Orthographic projection. If the camera’s projection mode is set to Orthographic, the camera will always use Forward rendering.
Обзор
Тип рендеринга Deferred Lighting имеет высочайшее качество освещения и теней. При таком типе не существует ограничений на количество источников света, влияющих на один объект и всё источники света просчитывается попиксельно, что позволяет им корректно работать с картами нормалей и т.д. Кроме того, все источники света могут иметь тени и cookie текстуры.
Преимущество отложенного освещение в том, что потребление ресурсов при просчёте освещения пропорционально количеству освещаемых пикселей. Оно определяется размером светового объёма в сцене и не зависит от количества освещаемых объектов. Поэтому, можно использовать небольшие источники освещения для улучшения производительности. Также отложенное освещение имеет очень логичное и предсказуемое поведение. Результат работы каждого источника освещения просчитывается попиксельно, поэтому тут не производится расчётов освещения, которые “запинаются” на больших треугольниках и т.д.
С другой стороны, отложенное освещение не имеет настоящей поддержки anti-aliasing’а (сглаживание изображения) и не может обрабатывать полупрозрачные объекты (такие объекты должны отрисовываться с помощью упреждающего рендеринга). Также не поддерживается опция Receive Shadows (получать тени) компонента Mesh Renderer и culling masks (маски выборочного рендеринга по слоям) поддерживаются только в ограниченной форме. Если быть точнее, то вы можете использовать не более четырёх culling масок. Следовательно, culling маска слоёв должна содержать как минимум все слои минус 4 произвольных слоя, то есть, к примеру, должно быть установлено 28 слоёв из 32. Иначе могут появиться графические артефакты.
Требования
It requires a graphics card with Shader Model 3.0 (or later), support for Depth render textures and two-sided stencil buffers. Most PC graphics cards made after 2004 support deferred lighting, including GeForce FX and later, Radeon X1300 and later, Intel 965 / GMA X3100 and later. On mobile, all OpenGL ES 3.0 capable GPUs support deferred lighting, and some of OpenGL ES 2.0 capable ones support it too (the ones that do support depth textures).
Вопросы производительности
Потребление ресурсов источниками динамического освещения при отложенном освещении пропорционально количеству освещаемых пикселе и не зависит от сложности сцены. Так что для рендеринга небольших точечных или прожекторных источников света требуется не много ресурсов, а если они полностью или частично закрыты другими объектами в сцене - то требуется ещё меньше.
Конечно, источники света с тенями требуют намного больше ресурсов, чем источники света без теней. При отложенном освещении, объекты, отбрасывающие тени, всё ещё должны отрисовываться один или более раз для каждого источника освещения с отбрасываемыми тенями. Более того, шейдер освещения, применяющий тени, имеет большее потребление ресурсов при отрисовке, чем в случае с отключенными тенями.
Детали реализации
При включенном отложенном освещении, процесс отрисовки в Unity происходит в 3 прохода:-
- Базовый проход: объекты рендерятся для создания буферов экранного пространства с глубиной, нормалями и степенью зеркальности.
- Проход освещения: буферы, созданные на предыдущем шаге, используются для расчёта освещения в другой буфер экранного пространства.
- Финальный проход: объекты снова рендерятся. Они получают рассчитанное освещение, объединяют его с цветными текстурами и добавляют любое излучаемое освещение или освещение окружения.
Объекты, шейдеры которых не могут работать с отложенным освещением, рендерятся после того, как завершатся эти проходы, с помощью упреждающего типа рендеринга .
Базовый проход
Базовый проход рендерит каждый объект один раз. Нормали экранного пространства и степень зеркальности рендерятся в одну ARDB32 Render Texture (с нормалями в RGB каналах и степенью зеркальности в A). Если платформа и оборудование позволяют считывать содержимое Z-буфера в виде текстуры, тогда глубина рендерится неявно. Если к Z-буферу нет доступа в качестве текстуры, тогда глубина рендерится в дополнительном проходе рендеринга с помощью замены шейдера .
Результатом базового прохода является Z-буфер, заполненный содержимым сцены и Render Texture с нормалями и степенью зеркальности.
Проход освещения
Проход освещения рассчитывает освещение, основанное на глубине, нормалях и степени зеркальности. Освещение рассчитывается в экранном пространстве, так что время, требуемое на расчёты не зависит от сложности сцены. Буфер освещения - это одна ARGB32 Render Texture, с диффузным освещением в RGB каналах и монохромным зеркальным освещением в канале A. Значения освещения кодируются логарифмически, для обеспечения большего динамического диапазона, чем обычно доступно при использовании ARGB32 текстуры. Единственная модель освещения, доступная при отложенном освещении - это Blinn-Phong.
Точечные и прожекторные источники света, не пересекающие ближайшую плоскость камеры, рендерятся как 3D формы, с включенным тестом Z-буфера против сцены. Это позволяет тратить немного ресурсов на рендеринг частично или полностью скрытых точечных и прожекторных источников света. Если направленные источники света и точечные/прожекторные источники света пересекают ближайшую плоскость камеры, то они рендерятся в виде полноэкранных квадов.
The above doesn’t apply to directional lights, which are always rendered as fullscreen quads.
Если у источника света включены тени, то они тоже рендерятся и применяются в этом проходе. Учтите, что тени не даются “даром”; требуется рендеринг отбрасывающих тень объектов и к ним должен применяться шейдер с более сложным расчётом освещения.
Единственная доступная модель освещения - Blinn-Phong. Если вы желаете использовать другую модель, вы можете изменить шейдер прохода освещения, разместив изменённую версию файла Internal-PrePassLighting.shader из набора в папке с именем “Resources” в вашей папке “Assets”.
Финальный проход
Финальный проход производит итоговое отрисованное отображение. Здесь все объекты отрисовываются ещё раз шейдерами, которые получают освещение, совмещают его с текстурами и добавляют излучаемое освещение. Карты освещения также применяются в финальном проходе. Вблизи камеры используется динамическое освещение и добавляется только запечённое непрямое освещение. Это переходит в полностью запечённое освещение вдали от камеры.
Детали упреждающего типа рендеринга
Подробности способа рендеринга вершинного освещения
В продолжении ликбеза по компьютерной графике как для программистов, так и для художников хочу поговорить о том что такое рендеринг
. Вопрос не так сложен как кажется, под катом подробное и доступное объяснение!
Я начал писать статьи, которые являются ликбезом для разработчика игр. И поторопился, написав статью про шейдеры, не рассказав что же такое рендеринг. Поэтому эта статья будет приквелом к введению в шейдеры и отправным пунктом в нашем ликбезе.
Что такое рендеринг? (для программистов)
Итак, Википедия дает такое определение: Ре́ндеринг (англ. rendering - «визуализация») - термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.
Довольно неплохое определение, продолжим с ним. Рендеринг — это визуализация. В компьютерной графике и 3д-художники и программисты под рендерингом понимают создание плоской картинки - цифрового растрового изображения из 3д сцены.
То есть, неформальный ответ на наш вопрос «Что такое рендеринг?» — это получение 2д картинки (на экране или в файле не важно). А компьютерная программа, производящая рендеринг, называется рендером (англ. render) или рендерером (англ. renderer).
Рендер
В свою очередь словом «рендер» называют чаще всего результат рендеринга. Но иногда и процесс называют так же (просто в английском глагол — render перенесся в русский, он короче и удобнее). Вы, наверняка, встречали различные картинки в интернете, с подписью «Угадай рендер или фото?». Имеется ввиду это 3D-визуализация или реальная фотография (уж настолько компьютерная графика продвинулась, что порой и не разберешься).
Виды рендеринга
В зависимости от возможности сделать вычисления параллельными существуют:
- многопоточный рендеринг — вычисления выполняются параллельно в несколько потоков, на нескольких ядрах процессора,
- однопоточный рендеринг — в этом случае вычисления выполняются в одном потоке синхронно.
Существует много алгоритмов рендеринга, но все их можно разделить на две группы по принципу получения изображения: растеризация 3д моделей и трасировка лучей. Оба способа используются в видеоиграх. Но трасировка лучей чаще используется не для получения изображений в режиме реального времени, а для подготовки так называемых лайтмапов — световых карт, которые предрасчитываются во время разработки, а после результаты предрасчета используются во время выполнения.
В чем суть методов? Как работает растеризация и трасировка лучей? Начнем с растеризация.
Растеризация полигональной модели
Сцена состоит из моделей, расположенных на ней. В свою очередь каждая модель состоит из примитивов.
Это могут быть точки, отрезки, треугольники и некоторые другие примитивы, такие как квады например. Но если мы рендерим не точки и не отрезки, любые примитивы превращаются в треугольники.
Задача растеризатора (программа, которая выполняет растеризацию) получить из этих примитивов пиксели результирующего изображения. Растеризация в разрезе графического пайплайна, происходит после вершинного шейдера и до фрагментного ().
*возможно следующей статьёй будет обещанный мной разбор графического пайплайна, напишите в комментариях нужен ли такой разбор, мне будет приятно и полезно узнать скольким людям интересно это всё. Я сделал отдельную страничку где есть список разобранных тем и будущих —
В случае с отрезком нужно получить пиксели линии соединяющей две точки, в случае с треугольником пиксели которые внутри него. Для первой задачи применяется алгоритм Брезенхема, для второй может применяться алгоритм заметания прямыми или проверки барицентрических координат.
Сложная модель персонажа состоит из мельчайших треугольников и растеризатор генерирует из неё вполне достоверную картинку. Почему тогда заморачиваться с трассировкой лучей? Почему не растеризовать и все? А смысл вот в чем, растеризатор знает только своё рутинное дело, треугольники — в пиксели. Он ничего не знает об объектах рядом с треугольником.
А это значит что все физические процессы которые происходят в реальном мире он учесть не в состоянии. Эти процессы прямым образом влияют на изображение. Отражения, рефлексы, тени, подповерхностное рассеивание и так далее! Все без чего мы будем видеть просто пластмассовые модельки в вакууме…
А игроки хотят графоний! Игрокам нужен фотореализм!
И приходится графическим программистам изобретать различные техники, чтобы достичь близости к фотореализму. Для этого шейдерные программы используют текстуры, в которых предрассчитаны разные данные света, отражения, теней и подповерхностного рассеивания.
В свою очередь трассировка лучей позволяет рассчитать эти данные, но ценой большего времени рассчета, которое не может быть произведено во время выполнения. Рассмотрим, что из себя представляет этот метод.
Трасировка лучей (англ. ray tracing )
Помните о корпускулярно волновом дуализме? Напомню в чем суть: свет ведёт себя и как волны и как поток частиц — фотонов. Так вот трассировка (от англ «trace» прослеживать путь), это симуляция лучей света, грубо говоря. Но трассирование каждого луча света в сцене непрактично и занимает неприемлемо долгое время.
Мы ограничимся относительно малым количеством, и будем трассировать лучи по нужным нам направлениям.
А какие направления нам нужны? Нам надо определять какие цвета будут иметь пиксели в результирующей картинке. Тоесть количество лучей мы знаем, оно равно количеству пикселей в изображении.
Что с направлением? Все просто, мы будем трассировать лучи в соответствии с точкой наблюдения (то как наша виртуальная камера направлена). Луч встретится в какой-то точке с объектом сцены (если не встретится, значит там темный пиксель или пиксель неба из скайбокса, например).
При встрече с объектом луч не прекращает своё распространение, а разделяется на три луча-компонента, каждый из которых вносит свой вклад в цвет пикселя на двумерном экране: отражённый, теневой и преломлённый. Количество таких компонентов определяет глубину трассировки и влияет на качество и фотореалистичность изображения. Благодаря своим концептуальным особенностям, метод позволяет получить очень фотореалистичные изображения, однако из-за большой ресурсоёмкости процесс визуализации занимает значительное время.
Рендеринг для художников
Но рендеринг это не только программная визуализация! Хитрые художники тоже используют его. Так что такое рендеринг с точки зрения художника? Примерно то же самое, что и для программистов, только концепт-художники выполняют его сами. Руками. Точно так же как рендерер в видео-игре или V-ray в Maya художники учитывают освещение, подповерхностное рассеивание, туман и др. факторы, влияющие на конечный цвет поверхности.
К примеру картинка выше, поэтапно прорабатывается таким образом: Грубый скетч — Лайн — Цвет — Объем — Рендер материалов.
Рендер материалов включает в себя текстурирование, проработку бликов — металлы, например, чаще всего очень гладкие поверхности, которые имеют четкие блики на гранях. Помимо всего этого художники сталкиваются с растеризацией векторной графики, это примерно то же самое, что и растеризация 3д-модели.
Растеризация векторной графики
Суть примерно такая же, есть данные 2д кривых, это те контуры, которыми заданы объекты. У нас есть конечное растровое изображение и растеризатор переводит данные кривых в пиксели. После этого у нас нет возможности масштабировать картинку без потери качества.
Читайте дальше
- — простое объяснение сложных и страшных шейдеров
- — Полезный обзор частиц и подборка видео-уроков, по созданию спецэффектов в Unity3d
Послесловие
В этой статье, я надеюсь, вы осили столько букв, вы получили представление о том, что такое рендеринг, какие виды рендеринга существуют. Если какие-то вопросы остались — смело задавайте их в комментариях, я обязательно отвечу. Буду благодарен за уточнения и указания на какие-то неточности и ошибки.
Финская компания Nokia всегда славилась своими необычными решениями в плане разработки новых моделей. Одной из таких можно назвать - смартфон, который меняет представление о мобильных телефонах в принципе.
В этой статье мы поговорим об этом смартфоне и выясним, чем же он такой особенный, и по какой причине на него следует обратить внимание.
Концепция быстродействия на “другой” ОС
Сразу хочется отметить, что телефон вышел еще в 2011 году, поэтому сейчас, можно сказать, он является несколько устаревшим. Правда, за счет своей концепции, телефон не теряет актуальности и по сей день. А все дело в подходе, примененном разработчиками.
Телефон был выпущен не на привычном (уже в то время) Android, а на малоизвестной платформе MeeGo. Это - Linux-ориентированная система, представленная годом ранее (в 2010). Над работой в проекте участвовали Intel, Microsoft и Nokia. Поэтому неудивительно, что последняя начала продавать телефон на этой ОС.
Возникает логичный вопрос: “Почему эта система? Чем она лучше Android?”. В этом и дело - Nokia представили устройство на непопулярной, но оптимизированной системе.
В виду того, что на MeeGo не было доступно никаких приложений и игр в высоком качестве и с набором соответствующих требований (технического характера), разработчикам удалось выпустить максимально скоростной телефон, не обремененный, как другие смартфоны на популярных ОС. Именно такой подход и заслужил внимание многих пользователей - устройство действительно быстро реагирует на все команды, не виснет и не перегружается.
Но от общего представления телефона перейдем к более очевидным вещам, например - дизайну. Именно с него начинается знакомство каждого пользователя с очередным устройство.
Дизайн
Видно, что производители хорошо потрудились над внешним видом модели Выглядит телефон достаточно эффектно за счет монолитного корпуса, который не содержит никаких прорезей. Даже отверстия для сим-карты и разъемы от зарядного и наушников расположены на нижней панели. Кроме того, они закрываются специальными заглушками, создавая таким образом эффект защищенности.
Все, что выделяется на округленном корпусе модели - это лишь боковые клавиши регулировки звука и блокировки/разблокировки дисплея. И то, благодаря специальной технологии включить экран устройства можно также при помощи двух коротких нажатий на экран.
Что касается материала отделки, то на Nokia N9 представлен специальный матовый пластик, который обладает сразу несколькими функциями. Во-первых, это - декоративная, поскольку выглядит телефон достаточно привлекательно. Во-вторых, можно говорить о защите от царапин и ударов. Матовую поверхность не портят даже затертости - поэтому ваш телефон не потеряет внешний вид ни при каких обстоятельствах. Помимо этого, следует упомянуть набор из специальных чехлов-накладок. Они обладают разными цветами, поэтому каждому пользователю предоставляется возможность подобрать цветовую схему для своего Nokia N9 индивидуально.
Дисплей
Разумеется, следующим за внешним видом должен обсуждаться экран устройства - главный элемент в управлении любым смартфоном. Если говорить о нашей модели, то размер его дисплея составляет всего 3.9 дюйма. При разрешении в 480 на 854 пикселей, изображение на нем можно назвать приемлемым для работы - наблюдается лишь мелкая зернистость в случае приближения. Для защиты экрана применяется стекло, разработанное по технологии (первого поколения). Считается, что оно выдерживает удары и противостоит возникновению царапин.
Процессор и начинка
Поскольку мы говорим о телефоне, вышедшем на рынок в 2011 году, не стоит ожидать, что на нем установлен сверхмощный процессор, показывающий чудеса производительности. На самом деле, здесь присутствует ARM Cortex-A8, обладающий тактовой частотой в 1 ГГц. Казалось бы, по меркам современных смартфонов это не так уж и много, однако, повторюсь, для конкретно на этом устройстве этого вполне хватает. Тем более, что от гаджета не требуется воспроизводить громоздкие игры, начиненные графикой, в виду их отсутствия под указанную ОС, что уже упоминалось ранее.
Камера
Устройство обладает достаточно мощной камерой, разрешение матрицы которой составляет 8 мегапикселей. На самом деле, если запустить ее, она напоминает камеру Правда, отзывы отмечают более низкое качество снимков.
Это устройство обладает сразу несколькими дополнительными функциями для создания более качественных снимков. В частности, это автоматическая фокусировка, распределение цветов; если говорить о видео - то это еще и возможность съемки в HD-качестве.
Вывод таков - для любительской сессии камера телефона вполне подойдет - с Nokia N9 (прошивка, что будет установлена на устройстве значения не имеет) вы получите ряд фотографий, которые можно будет показать родственникам. Правда, с передачей цветов у аппарата проблемы - основная часть снимка просто “засветляется”.
Связь
Гаджет, несмотря на дату выхода, на самом деле оснащен коммуникационными технологиями на уровне современного устройства. В частности, можно отметить (вместе с приложением Nokia-карты он позволяет ориентироваться на местности, определять местоположение и так далее), а также поддержку 3G. Что касается интернета, здесь имеется возможность работы еще и через WiFi.
Помимо этих “основных”, на телефон Nokia N9 также установили опцию NFC - возможность проведения оплаты при помощи смартфона на небольшом расстоянии (до 10 сантиметров). Правда, как показывают практика и отзывы пользователей, - этой функцией пользуются мало и редко.
Батарея
Конечно же, в любом устройстве имеет значение длительность его работы. В технической регламентации заявлено, что батареи хватит примерно на 1 день интенсивной и 2-3 - среднеразмерной эксплуатации Nokia N9. Китайский “клон”, конечно же, продержит намного меньше - поэтому не советуем приобретать его.
А вообще, заявленная емкость - 1450 мАч, что позволяет говорить о достаточно длительной работе. Тем более, следует учитывать, на какой операционной системе работает Nokia N9. Android вряд ли мог дать такую производительность, о которой можно говорить с MeeGo. Поэтому это можно назвать сильной стороной смартфона.