Adaptive Shadow Maps

Randima Fernando Sebastian Fernandez Kavita Bala Donald P. Greenberg

Apresentado por Claudio Esperança

Sombras• Problema consiste em saber, para cada fonte de

luz, quais áreas da cena estão iluminadas• Se a fonte de luz é não pontual, algumas áreas

estarão na penumbra (soft shadows)

Sombras• Se mais de uma fonte de luz são usadas, deve-se

somar as contribuições de cada uma

Métodos para desenho de sombras• Determinar sombras é um problema

correlacionado com visibilidade• Métodos iluminação globais já atacam o problema

– Traçado de raios (Ray Tracing)

– Radiosidade

• Desvantagem principal– Soluções onerosas

– Não adequadas para uso em tempo real

Sombras por achatamento• Apenas alguns objetos

projetam sombra sobre superfícies planas

• Basta desenhar os objetos devidamente “achatados” e transformados para serem coplanares com a superfície

• Uso muito limitado

Mapas de luz• Usados em jogos• Iluminação é precomputada (radiosidade / ray-

tracing) e valores de luminosidade atribuídos a texturas adicionais

• Inadequado quando luz ou objeto se movem

Volumes de sombra• Região sombreada é aproximada por um volume

poliedral em etapa de pré-processamento– Computa-se a silhueta do oclusor

– Cada aresta da silhueta gera um polígono

• Cena é desenhada com o auxílio de z-buffers estencil buffers

Volumes de sombra - algoritmo• Geometria é desenhada sem a contribuição da

fonte de luz pontual• Stencil Buffer é zerado• Faces da frente do volume de sombra são

desenhadas incrementando o stencil buffer• Faces de trás do volume de sombra são

desenhadas decrementando o stencil buffer• Contribuição da fonte de luz sobre a geometria é

somada apenas nas áreas onde o stencil buffer é maior que zero

Volumes de sombra - discussão• + Funciona bem quando volumes de sombra são

relativamente pouco complexos• + Trata apropriadamente a sombra projetada sobre

outros objetos• – Se a luz ou o oclusor se movimentam, o volume

de sombra tem que ser recomputado• – Computar volumes de sombra é custoso

Volumes de sombra - exemplo

Mapas de Sombra (Shadow Maps)• Método que trabalha no espaço da imagem• Cena é desenhada a partir do ponto de vista da luz

– z-buffer contém a distância à luz dos pontos iluminados

• Ao desenhar a cena do ponto de vista do observador, a distância de cada pixel à fonte de luz é computada e comparada com a distância correspondente armazenada no mapa de sombra– Se igual, o pixel está iluminado

– Se maior, o pixel está na sombra

Mapas de Sombra• Caso em que o pixel está iluminado

Fonteluminosa

observador

plano do mapa de sombra

plano de projeção,(frame buffer)

A

B

A = distância computada

B = distância armazenada no mapa

A B

Mapas de Sombra• Caso em que o pixel está na sombra

Fonteluminosa

observador

plano do mapa de sombra

plano de projeção,(frame buffer)

A

B

A = distância computada

B = distância armazenada no mapa

A >BB

Mapas de Sombra por Hardware• Segal et al propuseram extensões de hardware

(SGI) baseadas em mapeamento de textura projetiva– Permitem computar

• A correspondência entre um pixel do frame buffer e um “pixel” do mapa de sombras (B)

• A distância de um fragmento de polígono (correspondente a um pixel do frame buffer) e o plano do mapa de sombras (A)

• Heidrich propôs um esquema que onde o canal alfa é usado e que permite uma adaptação em hardware mais barato (NVidia Geforce 3)

Visualizando a técnica do mapa de sombras (1)

• Cena razoavelmente complexa com sombras

fonte de fonte de luz pontualluz pontual

Visualizando a técnica do mapa de sombras (2)

• Compare a imagem com e sem sombras

com sombrascom sombras sem sombrassem sombras

Visualizando a técnica do mapa de sombras(3)

• Cena conforme vista pela fonte de luz

Compare comCompare coma cena vista peloa cena vista peloobservadorobservador

Visualizando a técnica do mapa de sombras(4)

• mapa de sombras (z-buffer) • mais claro = mais longe

Compare comCompare coma cena do ponto dea cena do ponto devista da luzvista da luz

Visualizando a técnica do mapa de sombras(5)

• projetando o mapa de sombras sobre a cena(“B” no diagrama)

Compare comCompare commapa de sombrasmapa de sombrasno ponto de vistano ponto de vistada luzda luz

Visualizando a técnica do mapa de sombras(6)

• Visualização da distância entre cada pixel e o plano do mapa de sombras (“A” no diagrama)

Visualizando a técnica do mapa de sombras(6)

• Comparando distância da luz (A) com distância do mapa de sombras (B)

Verde é ondeVerde é ondeA e B sãoA e B são

aproximada-aproximada-mente iguaismente iguais

Não verde éNão verde éonde as onde as sombras sombras devem devem apareceraparecer

Visualizando a técnica do mapa de sombras(7)

• Cena com sombras

Observe Observe como os como os

“highlights” “highlights” especulares especulares

nunca nunca aparecem em aparecem em

áreas na áreas na sombrasombra

Observe Observe como como superfícies superfícies curvas curvas sombreiam sombreiam outrasoutras

Tolerância (bias)• Problema derivado da quantização das distâncias é

secundário e pode ser resolvido com tolerâncias

tolerância pequena:tolerância pequena:tudo parece estartudo parece estarsombreadosombreado

Tolerância grande:Tolerância grande:sombras ficam sombras ficam deslocadasdeslocadas

Tolerância Tolerância exataexata

Problema de serrilhado (aliasing)• Principal problema dos mapas de sombra resulta

do descasamento eventual entre a resolução do mapa de sombras e a do frame buffer

Mapas de sombras adaptativos• Visa resolver o problema de serrilhado• Técnica resulta da observação de que o mapa de

sombra só precisa ter alta resolução perto das fronteiras das sombras

• Um ASM (Adaptive Shadow Map) tem a forma de uma grade hierárquica onde determinadas células podem ser ou não subdivididas em grades mais finas

Características dos ASMs• Adapta-se ao ponto de vista do observador

– Pode ser usado em visitas de cenas (walkthroughs)

• Pode ser calibrado para um uso limitado de memória– Evita uso excessivo de memória

• Progressivo– O resultado visual fica cada vez melhor à medida

que um dado ponto de vista se mantém

Operação de refino do ASM• A escolha de uma porção (célula) da grade a ser

refinada é feita estimando-se uma razão custo/benefício• Seja

– Nrequired é o número de pixels na célula do ASM a serem obtidos com o refino

– Ncurrent é o número de pixels correntemente na célula

Operação de refino do ASM

• O custo é dado por uma função linear de Nrequired

– a = custo por pixel

– b = custo fixo

• O benefício é estimado contando-se o número de pixels do frame buffer que recaem numa célula do ASM – São consideradas apenas as células que contêm

descontinuidades de distância

Remoção de nós• Eventualmente, um nó decorrente do refino de

uma célula precisa ser desalocado para que outra célula possa ser

• Para tanto, escolhe-se entre os nós não utilizados no último quadro, aquele menos recentemente utilizado (LRU)

• Se este não existe, escolhe-se algum cujo benefício seja menor que aquele a ser criado

Estimando área do pixel no mundo• Por software é muito custoso• Aproximação usando mip-mapping (hardware)• Mip-map sintético é construído:

– textura mip-map mais fina tem 1 em cada texel– 2a textura mip-map mais fina tem 2 em cada texel– etc.

• Coordenadas de textura de cada polígono são geradas de forma a ter um número constante de texels por unidade de área

• Usado apenas o canal alfa da textura – a cor de textura é branca• Toda a cena é desenhada com essa textura e o frame-buffer é

lido de volta– Cada pixel tem agora uma medida da área da cena coberta

(filtrada trilinearmente, inclusive)

Teste de profundidade x Teste de id de polígono

• Uma otimização proposta por Hourcade para aliviar o problema de tolerância consiste em testar qual polígono está sombreado num pixel do ponto de vista da luz, ao invés de testar a distância

• Aparentemente, os autores codificam os IDs dos polígonos na cor usada para desenhá-los– Quando o frame-buffer é lido de volta durante a

fase de determinação da área coberta por um pixel, a cor do pixel lido indica o id do polígono

– Apenas um passo de leitura do frame-buffer é necessário para fazer as duas coisas

Teste de profundidade x Teste de id de polígono

• O teste de id é feito primeiro. Se este falha (indicando pixel na sombra), o teste de profundidade é feito

• Método híbrido produz melhores resultados que usar exclusivamente um dos métodos– Teste de id tem problemas nas arestas entre

polígonos

– Teste de profundidade tem problemas relativos à escolha de tolerâncias

Resultados

Resultados

Resultados

Bibliografia• Lance Williams, “Casting Curved Shadows on Curved

Surfaces,” SIGGRAPH 78

• William Reeves, David Salesin, and Robert Cook (Pixar), “Rendering antialiased shadows with depth maps,” SIGGRAPH 87

• Mark Segal, et. al. (SGI), “Fast Shadows and Lighting Effects Using Texture Mapping,” SIGGRAPH 92

• Wolfgang Heidrich “High-quality Shading and Lighting for Hardware-accelerated Rendering” Tese de doutorado – Universidade Técnica de Erlagen – 1999

• Apresentação de Mark Kilgard (NVidia) no CEDEC 2001

• Outras no paper