Ambient occlusion

Příklady z praxe

1. 01

   SSAO nad G-bufferem v realtime enginu

   Fragment shader vezme hloubku a normálu aktuálního pixelu, rozmístí kolem něj sadu vzorků v polokouli a spočítá, kolik z nich je podle hloubkové mapy zakrytých. Výsledek se rozmaže bilaterálním filtrem, aby zmizel šum z malého počtu vzorků, a teprve pak se jím násobí ambientní složka. Kernel má obvykle 8 až 32 vzorků, protože cena roste lineárně s jejich počtem.

   float occlusion = 0.0;
   for (int i = 0; i < SAMPLE_COUNT; ++i) {
       vec3 samplePos = fragPos + TBN * kernel[i] * radius;
       vec4 clip = projection * vec4(samplePos, 1.0);
       vec2 uv = (clip.xy / clip.w) * 0.5 + 0.5;
       float sceneDepth = texture(gDepth, uv).r;
       float rangeCheck = smoothstep(0.0, 1.0, radius / abs(fragPos.z - sceneDepth));
       occlusion += (sceneDepth >= samplePos.z + bias ? 1.0 : 0.0) * rangeCheck;
   }
   float ao = 1.0 - occlusion / float(SAMPLE_COUNT);

2. 02

   Zapečení AO mapy pro herní asset

   Modelář v Blenderu vytvoří high-poly verzi bedny s frézovanými hranami a nýty, rozbalí low-poly verzi do UV a nechá okluzi zapéct do textury 2048 × 2048. V enginu pak stačí jedno čtení textury místo desítek vzorků za snímek. Nevýhoda se projeví, jakmile se bedna otevře nebo rozpadne: zapečená okluze zůstane přilepená na původní tvar a víko si nese stín, který už nikam nepatří.

Časté omyly

MýtusAmbient occlusion je vlastně levný stín od slunce.

Ve skutečnostiAmbient occlusion nezná polohu ani směr žádného světla. Popisuje pouze míru zastínění okolní polokoule geometrií a modeluje tak nepřímé osvětlení; stíny od konkrétních zdrojů řeší shadow mapy nebo stínové paprsky.

MýtusKdyž je AO zapnutá, scéna má korektní global illumination.

Ve skutečnostiAmbient occlusion je hrubá aproximace jediného aspektu nepřímého osvětlení: zastínění. Neřeší barevné přelévání mezi plochami, odražené světlo ani směrovost oblohy, takže plnohodnotné GI nenahradí.

MýtusSilnější AO znamená realističtější obraz.

Ve skutečnostiPřehnaný faktor okluze vytvoří tmavé lemy kolem objektů a šedavý nádech všude, kde by mělo být čisté světlo. Realističtější je jemné ztlumení v kontaktních místech než výrazné obtahování obrysů.

Časté dotazy

Kolik výkonu ambient occlusion stojí v realtime renderingu?

Ambient occlusion ve screen space typicky spotřebuje jednotky procent až nižší desítky procent času snímku, podle rozlišení, počtu vzorků a poloměru. Náklady určuje hlavně počet čtení z hloubkové mapy a následné rozmazání, nikoli složitost scény. Levnější varianty počítají AO v poloviční rozlišení a výsledek upsamplují. Verze založená na sledování paprsků je řádově dražší, protože ke každému pixelu je potřeba vyslat několik paprsků do akcelerační struktury a výsledek zbavit šumu, obvykle s pomocí temporální akumulace přes více snímků.

Do kterého kanálu textury patří AO mapa v PBR materiálu?

AO mapa je jednokanálová hodnota, takže se skoro vždy balí do jedné složky RGB textury společně s dalšími skalárními mapami. Rozšířená konvence označovaná ORM ukládá okluzi do červeného kanálu, roughness do zeleného a metalness do modrého; jiné pipeline pořadí prohazují, proto je nutné držet se dokumentace konkrétního enginu. Data okluze jsou lineární, ne sRGB, takže se textura musí načítat bez gama převodu, jinak vyjde okluze příliš světlá.

Proč SSAO bliká a kolem objektů vznikají tmavé lemy?

SSAO pracuje jen s informací viditelnou na obrazovce. Když se objekt dostane mimo záběr nebo za jinou geometrii, jeho příspěvek k okluze zmizí a osvětlení se skokově změní. Tmavé lemy vznikají u siluet, kde hloubková mapa hlásí velký skok a algoritmus ho vyhodnotí jako blízké zastínění. Pomáhá menší poloměr, kontrola rozsahu vzdálenosti mezi vzorky, temporální filtrace přes několik snímků a přechod na variantu s horizon-based odhadem nebo na paprskové řešení.

Kdy dává smysl AO zapéct do textury místo počítání za běhu?

Zapečená AO se vyplatí u statické geometrie a u modelů, jejichž tvar se během hry nemění: architektura, kulisy, propy s jemnými detaily z high-poly modelu. Náklad je jedno čtení textury a kvalita je vyšší než u screen space, protože se počítá offline s mnoha paprsky. Zapékání ale nefunguje u deformovatelných postav, u destruovatelné geometrie a u objektů, které se vzájemně přesouvají, protože kontaktní okluze mezi nimi vzniká až za běhu. Řada projektů obě metody kombinuje.

Zdroje

1. Ambient occlusion(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. Blender Manual(otevře se v novém okně)Blender Foundation
3. OpenGL Registry(otevře se v novém okně)Khronos Group
4. Direct3D 12 graphics documentation(otevře se v novém okně)Microsoft

Související pojmy

• Baking texturBaking textur je proces, při kterém se výsledek náročného výpočtu (osvětlení, stínů, detailu vysokopolygonového modelu nebo procedurálního materiálu) předpočítá a uloží do rastrové textury namapované přes UV souřadnice modelu. Za běhu aplikace se pak místo opakovaného výpočtu jen čte hotová hodnota z obrázku, což výrazně šetří výkon.
• 3D model3D model je digitální reprezentace objektu nebo prostoru ve třech rozměrech, složená z geometrie, materiálů a často i textur, animací či fyzikálních vlastností. Používá se v hrách, filmech, průmyslovém návrhu, architektuře, e-commerce i simulacích, kde software z modelu počítá zobrazení nebo další data.
• Alfa kanálAlfa kanál je složka obrazových dat, která u pixelu určuje míru neprůhlednosti nebo průhlednosti. Doplňuje barevné kanály, typicky RGB, a umožňuje plynulé okraje, stíny, překryvy, masky i skládání vrstev. Hodnota alfa sama neurčuje barvu, ale říká, jak se barva pixelu promíchá s pozadím.
• Animace klíčových snímkůAnimace klíčových snímků je technika, při které animátor zadá hodnoty vlastnosti (polohu, rotaci, barvu, průhlednost) jen v několika vybraných časech a software dopočítá všechny mezilehlé snímky interpolací. Klíčový snímek tedy nese stav v daném okamžiku, křivka mezi klíči určuje rychlost změny a výsledkem je plynulý pohyb bez ručního kreslení každého snímku.
• Anti-aliasingAnti-aliasing je soubor technik, které omezují zubaté hrany a třepení detailů vznikající při převodu spojitého obrazu na mřížku pixelů. V grafice barvy na hranách obvykle průměruje nebo vzorkuje vícekrát, aby diagonály, text a 3D modely působily plynuleji, i když za cenu výkonu nebo mírné ztráty ostrosti.
• Barevný prostorBarevný prostor je definice toho, jakou skutečnou barvu představují číselné hodnoty v obrázku nebo na displeji. Určuje tři věci: primární barvy (rozsah zobrazitelných odstínů), bílý bod a přenosovou funkci mezi uloženým číslem a jasem. Bez této definice je trojice čísel jako 255,128,0 jen bezvýznamný údaj.
• BlenderBlender je open source 3D aplikace pro modelování, sculpting, animaci, simulace, kompoziting a renderování scén. Spojuje nástroje pro tvorbu polygonálních modelů, materiálů, kamer, světel a efektů do jednoho prostředí, takže se používá pro herní assety, vizualizace, motion design, výuku i menší filmovou produkci.
• Bump mapaBump mapa je šedotónová textura, která pro každý bod povrchu udává relativní výšku a slouží k výpočtu vychýlených normál při stínování. Geometrie modelu se nemění, mění se jen směr, kterým povrch odráží světlo, takže hladký polygon vypadá zvrásněně: cihlová spára, kůže, tepaný kov nebo výbrus dřeva.