चिंतनशील छाया मानचित्र: भाग 2 - कार्यान्वयन

नमस्कार, हेब्र! यह लेख चिंतनशील छाया मानचित्रों का एक सरल कार्यान्वयन प्रस्तुत करता है (एल्गोरिथ्म पिछले लेख में वर्णित है)। आगे, मैं बताऊंगा कि मैंने यह कैसे किया और क्या नुकसान हुए। कुछ संभावित अनुकूलन पर भी विचार किया जाएगा।


चित्रा 1: बाएं से दाएं: RSM के बिना, RSM के साथ, अंतर

परिणाम

चित्रा 1 में, आप आरएसएम का उपयोग करके प्राप्त परिणाम देख सकते हैं। इन चित्रों को बनाने के लिए, "स्टैनफोर्ड रैबिट" और तीन बहु-रंगीन चतुष्कोणों का उपयोग किया गया था। बाईं ओर की छवि में आप केवल स्पॉट लाइट का उपयोग करके आरएसएम के बिना रेंडरिंग का परिणाम देख सकते हैं। छाया में सब कुछ पूरी तरह से काला है। केंद्र में छवि RSM के साथ परिणाम दिखाती है। निम्नलिखित अंतर ध्यान देने योग्य हैं: हर जगह चमकीले रंग हैं, गुलाबी, फर्श पर बाढ़ और खरगोश, छायांकन पूरी तरह से काला नहीं है। अंतिम छवि पहले और दूसरे के बीच अंतर को दर्शाती है, और इसलिए आरएसएम का योगदान। बीच की छवि में तंग किनारों और कलाकृतियां दिखाई देती हैं, लेकिन यह कोर के आकार, अप्रत्यक्ष प्रकाश की तीव्रता और नमूनों की संख्या को समायोजित करके हल किया जा सकता है।

कार्यान्वयन

एल्गोरिथ्म को अपने स्वयं के इंजन पर लागू किया गया था। शेडर्स एचएलएसएल में लिखे गए हैं, और रेंडर डायरेक्टएक्स 11 में है। मैंने इस लेख को लिखने से पहले दिशात्मक प्रकाश (दिशात्मक प्रकाश स्रोत) के लिए पहले से स्थगित छायांकन और छाया मानचित्रण की स्थापना की है। सबसे पहले, मैंने आरएसएम को दिशात्मक प्रकाश के लिए लागू किया और इसके बाद ही मैंने छाया मानचित्र के लिए समर्थन जोड़ा और स्पॉट लाइट के लिए आरएसएम का समर्थन किया।

छाया नक्शा विस्तार

परंपरागत रूप से, शैडो मैप्स (SM) गहराई के नक्शे से ज्यादा कुछ नहीं है। इसका मतलब यह है कि एसएम को आबाद करने के लिए आपको पिक्सेल / टुकड़े टुकड़े करने वाले की भी आवश्यकता नहीं है। हालाँकि, RSM के लिए आपको कुछ अतिरिक्त बफ़र्स की आवश्यकता होगी। आपको विश्व-अंतरिक्ष की स्थिति , विश्व-अंतरिक्ष सामान्य और प्रवाह (प्रकाश उत्पादन) को संग्रहीत करने की आवश्यकता है। इसका मतलब यह है कि आपको कई रेंडर टारगेट के साथ पिक्सेल / फ्रैगर शैडर की जरूरत है। ध्यान रखें कि इस तकनीक के लिए आपको सामने वाले को नहीं, बल्कि चेहरे को काट देना होगा।

फेस कलिंग फ्रंट किनारों का उपयोग करना छाया कलाकृतियों से बचने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन यह आरएसएम के साथ काम नहीं करता है।

आप पिक्सेल शेडर के लिए विश्व-स्थान के पदों और मानदंडों को पास करते हैं और उन्हें उपयुक्त बफ़र्स पर लिखते हैं। यदि आप सामान्य मैपिंग का उपयोग करते हैं, तो उनकी गणना पिक्सेल शेडर में भी करें। प्रकाश स्रोत के रंग से एल्बिडो सामग्री को गुणा करके फ्लक्स की गणना की जाती है। स्पॉट लाइट के लिए आपको घटना के कोण से परिणामी मूल्य को गुणा करना होगा। दिशात्मक प्रकाश के लिए, एक अप्रकाशित छवि प्राप्त की जाती है।

प्रकाश गणना की तैयारी

मुख्य मार्ग के लिए आपको कुछ चीजें करनी होंगी। आपको छाया में प्रयुक्त सभी बफ़र्स को बनावट के रूप में बाँधना चाहिए। आपको रैंडम नंबर भी चाहिए। आधिकारिक लेख कहता है कि आपको इन नंबरों की पूर्व-गणना करने की आवश्यकता है और उन्हें आरएसएम नमूनाकरण पास में संचालन की संख्या को कम करने के लिए बफर में सहेजने की आवश्यकता है। चूंकि एल्गोरिथ्म प्रदर्शन के मामले में भारी है, मैं आधिकारिक लेख से पूरी तरह सहमत हूं। यह भी वहाँ अस्थायी सामंजस्य (सभी अप्रत्यक्ष प्रकाश गणना के लिए एक ही नमूना पैटर्न का उपयोग) का पालन करने के लिए सिफारिश की है। यह फ़्लिकरिंग को रोकेगा जब प्रत्येक फ़्रेम एक अलग छाया का उपयोग करता है।

आपको प्रत्येक नमूने के लिए रेंज [०, १] में दो रैंडम फ्लोटिंग पॉइंट नंबर चाहिए। नमूने के निर्देशांक निर्धारित करने के लिए इन यादृच्छिक संख्याओं का उपयोग किया जाएगा। आपको उसी मैट्रिक्स की भी आवश्यकता होगी, जिसका उपयोग आप विश्व-स्थान (विश्व स्थान) से छाया-स्थान (प्रकाश स्रोत स्थान) में स्थान परिवर्तित करने के लिए करते हैं। आपको नमूने के लिए ऐसे मापदंडों की भी आवश्यकता होगी, जो बनावट की सीमाओं से परे नमूना होने पर एक काला रंग देगा।

पासिंग लाइटिंग

अब समझने के लिए कठिन हिस्सा। मेरा सुझाव है कि आप एक विशेष प्रकाश स्रोत के लिए प्रत्यक्ष प्रकाश की गणना के बाद अप्रत्यक्ष प्रकाश की गणना करते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि आपको दिशात्मक प्रकाश के लिए एक पूर्ण-स्क्रीन क्वाड की आवश्यकता है। हालांकि, स्पॉट और पॉइंट लाइट के लिए, आप आमतौर पर कम पिक्सेल भरने के लिए एक निश्चित आकार के मेश का उपयोग करना चाहते हैं।

नीचे दिए गए कोड में, अप्रत्यक्ष रोशनी की गणना पिक्सेल के लिए की जाती है। आगे, मैं समझाता हूँ कि वहाँ क्या हो रहा है।

float3 DoReflectiveShadowMapping(float3 P, bool divideByW, float3 N) { float4 textureSpacePosition = mul(lightViewProjectionTextureMatrix, float4(P, 1.0)); if (divideByW) textureSpacePosition.xyz /= textureSpacePosition.w; float3 indirectIllumination = float3(0, 0, 0); float rMax = rsmRMax; for (uint i = 0; i < rsmSampleCount; ++i) { float2 rnd = rsmSamples[i].xy; float2 coords = textureSpacePosition.xy + rMax * rnd; float3 vplPositionWS = g_rsmPositionWsMap .Sample(g_clampedSampler, coords.xy).xyz; float3 vplNormalWS = g_rsmNormalWsMap .Sample(g_clampedSampler, coords.xy).xyz; float3 flux = g_rsmFluxMap.Sample(g_clampedSampler, coords.xy).xyz; float3 result = flux * ((max(0, dot(vplNormalWS, P – vplPositionWS)) * max(0, dot(N, vplPositionWS – P))) / pow(length(P – vplPositionWS), 4)); result *= rnd.x * rnd.x; indirectIllumination += result; } return saturate(indirectIllumination * rsmIntensity); } 

फ़ंक्शन का पहला तर्क पी है , जो एक विशिष्ट पिक्सेल के लिए विश्व-अंतरिक्ष की स्थिति (विश्व अंतरिक्ष में) है। DivideByW सही Z मान प्राप्त करने के लिए आवश्यक भावी विभाजन के लिए उपयोग किया जाता है। N , विश्व-स्थान सामान्य है।

 float4 textureSpacePosition = mul(lightViewProjectionTextureMatrix, float4(P, 1.0)); if (divideByW) textureSpacePosition.xyz /= textureSpacePosition.w; float3 indirectIllumination = float3(0, 0, 0); float rMax = rsmRMax; 

कोड के इस भाग में, प्रकाश-स्थान (प्रकाश स्रोत के सापेक्ष) स्थिति की गणना की जाती है, अप्रत्यक्ष प्रकाश चर को आरंभीकृत किया जाता है, जिसमें प्रत्येक नमूने से गणना किए गए मानों को सारांशित किया जाएगा, और rMax चर को आधिकारिक लेख में प्रकाश समीकरण से सेट किया गया है, जिसका मूल्य मैं अगले अनुभाग में समझाऊंगा ।

 for (uint i = 0; i < rsmSampleCount; ++i) { float2 rnd = rsmSamples[i].xy; float2 coords = textureSpacePosition.xy + rMax * rnd; float3 vplPositionWS = g_rsmPositionWsMap .Sample(g_clampedSampler, coords.xy).xyz; float3 vplNormalWS = g_rsmNormalWsMap .Sample(g_clampedSampler, coords.xy).xyz; float3 flux = g_rsmFluxMap.Sample(g_clampedSampler, coords.xy).xyz; 

यहां हम चक्र शुरू करते हैं और समीकरण के लिए हमारे चर तैयार करते हैं। अनुकूलन उद्देश्यों के लिए, मेरे द्वारा गणना किए गए यादृच्छिक नमूनों में पहले से ही समन्वित ऑफसेट हैं, अर्थात् , यूवी निर्देशांक प्राप्त करने के लिए, मुझे बस प्रकाश-अंतरिक्ष निर्देशांक में rMax * rnd को जोड़ने की आवश्यकता है। यदि परिणामी यूवी सीमा से बाहर हैं [0.1], तो नमूने काले होने चाहिए। जो तर्कसंगत है, क्योंकि वे प्रकाश की सीमा से परे जाते हैं।

  float3 result = flux * ((max(0, dot(vplNormalWS, P – vplPositionWS)) * max(0, dot(N, vplPositionWS – P))) / pow(length(P – vplPositionWS), 4)); result *= rnd.x * rnd.x; indirectIllumination += result; } return saturate(indirectIllumination * rsmIntensity); 

यह वह हिस्सा है जहां अप्रत्यक्ष प्रकाश समीकरण की गणना की जाती है ( चित्रा 2 ), और नमूना से प्रकाश-अंतरिक्ष समन्वय से दूरी के अनुसार भी तौला जाता है। समीकरण भयभीत दिखता है, और कोड सब कुछ समझने में मदद नहीं करता है, इसलिए मैं और अधिक विस्तार से बताऊंगा।

चर ux (phi) प्रकाश प्रवाह है , जो विकिरण की तीव्रता है। पिछला लेख अधिक विस्तार से प्रवाह का वर्णन करता है।

दो स्केलर कलाकृति के साथ फ्लक्स स्केल। पहला प्रकाश स्रोत (टेक्सल) के सामान्य और प्रकाश स्रोत से वर्तमान स्थिति के बीच है। दूसरा वर्तमान स्थिति और वर्तमान वेक्टर से वर्तमान स्थिति के बीच प्रकाश स्रोत (टेक्सेल) की स्थिति के बीच है। प्रकाश में नकारात्मक योगदान न करने के लिए (यह पता चलता है कि पिक्सेल जलाया नहीं जाता है), स्केलर उत्पाद सीमा [0, [] तक सीमित हैं। इस समीकरण में, सामान्यीकरण अंत में किया जाता है, मुझे लगता है, प्रदर्शन कारणों से। यह स्केलर उत्पादों के प्रदर्शन से पहले दिशा वैक्टर को सामान्य करने के लिए समान रूप से स्वीकार्य है।


चित्रा 2: स्थिति x और सामान्य n दिशात्मक पिक्सेल प्रकाश स्रोत पी के साथ एक बिंदु के रोशनी का समीकरण

इस पास का परिणाम एक बैकबफ़र (प्रत्यक्ष प्रकाश) के साथ मिलाया जा सकता है, और परिणाम चित्रा 1 में जैसा होगा।

नुकसान

इस एल्गोरिथ्म को लागू करते समय, मैं कुछ समस्याओं में भाग गया। मैं इन समस्याओं के बारे में बात करूंगा ताकि आप एक ही रेक पर कदम न रखें।

गलत नमूना

मैंने यह जानने में काफी समय बिताया कि मेरे अप्रत्यक्ष प्रकाश की पुनरावृत्ति क्यों हुई। क्रायटेक स्पोंज़ा के बनावट छिपे हुए हैं, इसलिए आपको इसके लिए एक लिपटे हुए नमूना की आवश्यकता है। लेकिन आरएसएम के लिए यह बहुत उपयुक्त नहीं है।

कस्टम मूल्य

वर्कफ़्लो को बेहतर बनाने के लिए, एक बटन के पुश के साथ कुछ चर को बदलने में सक्षम होना महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, अप्रत्यक्ष रोशनी की तीव्रता और नमूना रेंज ( आरमैक्स )। इन मापदंडों को प्रत्येक प्रकाश स्रोत के लिए समायोजित किया जाना चाहिए। यदि आपके पास एक बड़ा नमूना रेंज है, तो आपको हर जगह से अप्रत्यक्ष प्रकाश मिलता है, जो बड़े दृश्यों के लिए उपयोगी है। अधिक स्थानीय अप्रत्यक्ष प्रकाश व्यवस्था के लिए, आपको एक छोटी रेंज की आवश्यकता होगी। चित्र 3 वैश्विक और स्थानीय अप्रत्यक्ष प्रकाश को दर्शाता है।


चित्रा 3: rMax निर्भरता का प्रदर्शन।

अलग मार्ग

पहले, मैंने सोचा कि मैं एक छायादार में अप्रत्यक्ष प्रकाश व्यवस्था कर सकता हूं, जिसमें मैं प्रत्यक्ष प्रकाश व्यवस्था पर विचार करता हूं। दिशात्मक प्रकाश के लिए, यह काम करता है क्योंकि आप अभी भी एक पूर्ण-स्क्रीन क्वाड खींचते हैं। हालांकि, स्पॉट और पॉइंट लाइट के लिए, आपको अप्रत्यक्ष प्रकाश की गणना को अनुकूलित करने की आवश्यकता है। इसलिए, मैंने अप्रत्यक्ष प्रकाश को एक अलग मार्ग माना, जो आवश्यक है यदि आप स्क्रीन-स्पेस प्रक्षेप करना चाहते हैं।

कैश

यह एल्गोरिथ्म कैश के साथ बिल्कुल भी अनुकूल नहीं है। यह कई बनावटों में यादृच्छिक बिंदुओं पर नमूने का प्रदर्शन करता है। अनुकूलन के बिना नमूनों की संख्या भी अस्वीकार्य रूप से बड़ी है। 1280 * 720 के संकल्प और RSM 400 नमूनों की संख्या के साथ, आप प्रत्येक प्रकाश स्रोत के लिए 1.105.920.000 नमूने बनाएंगे।

पेशेवरों और विपक्ष

मैं इस अप्रत्यक्ष प्रकाश गणना एल्गोरिथ्म के पेशेवरों और विपक्षों की सूची दूंगा।

के लिए	के खिलाफ
एल्गोरिथम समझने में आसान है	नहीं कैश के साथ दोस्त बिल्कुल नहीं
आस्थगित रेंडर के साथ अच्छी तरह से एकीकृत करता है	चर सेटिंग की आवश्यकता है
अन्य एल्गोरिदम ( एलपीवी ) में इस्तेमाल किया जा सकता है	स्थानीय और वैश्विक अप्रत्यक्ष प्रकाश व्यवस्था के बीच मजबूर विकल्प

अनुकूलन

मैंने इस एल्गोरिथ्म की गति बढ़ाने के लिए कई प्रयास किए। जैसा कि आधिकारिक लेख में वर्णित है, आप स्क्रीन-स्पेस प्रक्षेप को लागू कर सकते हैं। मैंने यह किया है, और थोड़ा तेजी से प्रतिपादन। नीचे मैं कुछ अनुकूलन का वर्णन करूंगा, और निम्नलिखित कार्यान्वयन के बीच तुलना (फ्रेम प्रति सेकंड में) करूंगा, 3 दीवारों और एक खरगोश के साथ एक दृश्य का उपयोग कर: RSM के बिना, RSM के भोले कार्यान्वयन, RSM द्वारा प्रक्षेपित।

जेड की जांच

मेरे RSM ने अयोग्य रूप से काम करने के कारणों में से एक था क्योंकि मैंने उन पिक्सल्स के लिए अप्रत्यक्ष प्रकाश की गणना की जो स्काईबॉक्स का हिस्सा थे। स्काईबॉक्स को निश्चित रूप से इसकी आवश्यकता नहीं है।

सीपीयू यादृच्छिक नमूना

नमूनों की प्रारंभिक गणना न केवल अधिक से अधिक लौकिक सामंजस्य देगी, बल्कि आपको इन नमूनों को मिलाप में पुनर्गणना करने से भी बचाएगी।

स्क्रीन-स्पेस इंटरपोलेशन

एक आधिकारिक लेख में अप्रत्यक्ष प्रकाश की गणना के लिए कम रिज़ॉल्यूशन रेंडर लक्ष्य का उपयोग करने का सुझाव दिया गया है। कई चिकनी मानदंडों और सीधी दीवारों वाले दृश्यों के लिए, कम रिज़ॉल्यूशन वाले बिंदुओं के बीच प्रकाश जानकारी आसानी से प्रक्षेपित की जा सकती है। मैं विस्तार से वर्णन नहीं करूंगा ताकि यह लेख थोड़ा छोटा हो।

निष्कर्ष

नीचे नमूनों की एक अलग संख्या के लिए परिणाम दिए गए हैं। मेरे पास इन परिणामों के बारे में कुछ टिप्पणियां हैं:

• तार्किक रूप से, जब आरएसएम गणना नहीं की जाती है तो एक अलग संख्या में नमूनों के लिए एफपीएस लगभग 700 रहता है।
• इंटरपोलेशन कुछ ओवरहेड देता है और बहुत कम नमूनों के साथ बहुत उपयोगी नहीं है।
• यहां तक ​​कि 100 नमूनों के साथ, अंतिम छवि बहुत अच्छी लग रही थी। यह प्रक्षेप के कारण हो सकता है, जो अप्रत्यक्ष रोशनी को "ब्लर्स" करता है।

नमूना गिनती	बिना आरएसएम के एफपीएस	Naive RSM के लिए FPS	इंटरपोलेटेड आरएसएम के लिए एफपीएस
100	~ 700	152	264
200	~ 700	89	179
300	~ 700	62	138
400	~ 700	44	116