Sombras y Reflejos en Tiempo Real Implementación mediante OpenGL Uso del stencil buffer Jose María Buades Rubio

Introducción Renderizar polígonos con texturas Z-Buffer mostrará la salida correcta La limitación de los efectos viene dada por el hardware Dos efectos que mejoran la calidad gráfica son las sombras y los reflejos

Stencil Test Mejoran la calidad de las sombras y reflejos Stenciling es un test extra por pixel y un conjunto de operaciones muy parecidas al z-buffer Añade planos de bits adicionales para cada pixel, ademas de los bits de color y profundidad

Stencil Test II Es una manera de “marcar” pixeles en una renderización para controlar su actualización en renderizaciones siguientes Algunas tarjetas gráficas como RivaTNT soporta stencil buffer de 8-bits Tanto DirectX y OpenGL soportan Stencil Buffer

Secuencia de operaciones Pixel Ownership Test Scissor Test Alpha Test Stencil Test Depth Test Blending Dithering Logic Op

Per-pixel Stencil Testing Inicialización mediante GLUT & OpenGL glutInitDisplayString(“stencil>=1 rgb depth double”) glutCreateWindow(“Stencil Buffer Example”) El valor stencil de un pixel es un entero sin signo (unsigned int)

Per-pixel Stencil Testing II Como borrar el stencil buffer glClearStencil(0) glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT) Activar y desactivar el test glEnable(GL_STENCIL_TEST) glDisable(GL_STENCIL_TEST)

Per-pixel Stencil Testing III El stencil test compara el valor del pixel del stencil buffer con un valor de referencia Permite las siguientes comparaciones: never, always less than, less than or equal greater than, greater than or equal equal, not equal

Per-pixel Stencil Testing IV Es más potente que el buffer de profundidad, antes de comparar realiza una operación AND, tanto del valor de referencia como del valor del buffer, con un valor que sirve como máscara glStencilFunc( GL_EQUAL, // función de comparación 0x1, // valor de referencia 0xff); // máscara

Per-pixel Stencil Testing V Si el pixel no pasa el test de profundidad es rechazado, en cambio si pasa reemplaza el valor del z-buffer. El stencil test es más complicado: NO pasa el stencil test Pasa stencil test y NO el test de profundidad Pasa stencil test y el test de profundidad

Per-pixel Stencil Testing V Para cada caso tenemos seis operaciones posibles: GL_KEEP, GL_REPLACE, GL_INVERT, GL_INCREMENT, GL_DECREMENT, GL_ZERO Antes de escribir se aplica una máscara glStencilOp( GL_KEEP, // stencil fail GL_DECR, // stencil pass, depth fail GL_INCR); // stencil pass, depth pass glStencilMask(0xff);

Per-pixel Stencil Testing VI State Description Initial Value State Update State Query Token Command Stencilling enable GL_FALSE glEnable GL_STENCIL_TEST glDisable Stencil function GL_ALWAYS glStencilFunc GL_STENCIL_FUNC Stencil compare mask All 1’s glStencilFunc GL_STENCIL_VALUE_MASK Stencil reference value 0 glStencilFunc GL_STENCIL_REF Stencil fail operation GL_KEEP glStencilOp GL_STENCIL_FAIL Stencil depth fail operation GL_KEEP glStencilOp GL_STENCIL_PASS_DEPTH_PASS Stencil depth pass operation GL_KEEP glStencilOp GL_STENCIL_PASS_DEPTH_PASS Stencil write mask All 1’s glStencilMask GL_STENCIL_WRITEMASK Stencil buffer clear value 0 glClearStencil GL_STENCIL_CLEAR_VALUE

Reflejos Planos sin Stencil Tiene una serie de limitaciones: El objeto reflejado sale por fuera de la superficie reflectante Desde detrás del espejo se ve el objeto reflejado No permite reflejos infinitos, esta limitado a un número n de reflejos

Algoritmo 1. Cargar la matriz de modelización glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); glLookAt(eye[0], eye[1], eye[2], center[0], center[1], center[2], up[0], up[1], up[2]); 2. Introducir en la pila la matriz de modelización glPushMatrix(); 3. Aplicar la matriz de reflejo (plano z = 0) glScalef(1.0, 1.0, -1.0); 4. Si usamos recorte de caras traseras, debemos realizar el contrario, eliminación de caras delanteras glCullFace(GL_FRONT); 5. Renderizar la escena, pero solo los objetos que estan en el lado reflectante del espejo

Algoritmo (continuación) 6. Restaurar los valores antes del espejo glCullFace(GL_BACK); glPopMatrix(); 7. Renderizar el espejo (por ejemplo si es marmol) glEnable(GL_BLEND); glBlendFunc(GL_ONE, GL_ONE); // aditivo rederizarEspejoConTextura(); glDisble(GL_BLEND); Incluso si el espejo no esta renderizado como una superficie semitransparente es importante renderizarlo para actualizar el z-buffer y evitar que aparezcan objetos que estan detrás del objeto glColorMask(0, 0, 0, 0); renderizarEspejoConPoligonos() glColorMask(1, 1, 1, 1); 8. Finalmente renderizar la escena no reflejada

Resultados Stenciling

Reflejos Planos con Stencil Técnica más perfeccionada Permite tener espejos de tamaño limitado Podemos situar la cámara al otro lado del espejo

Algoritmo Renderizar la escena, excepto los espejos, con z-buffer pero sin stencil test glClearStencil(0); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT | GL_STENCIL_BUFFER_BIT); glEnable(GL_DEPTH_TEST); glDisable(GL_STENCIL_TEST); DrawScene(); Para cada espejo realizar los siguientes pasos: 1. Configurar para que escriba 1 en el stencil buffer cuando pasa el buffer de profundidad, deshabilitar escribir en el buffer de color. Entonces renderizar el espejo glEnable(GL_STENCIL_TEST); glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE); glStencilFunc(GL_ALWAYS, 1, ~0); glColorMask(0, 0, 0, 0); RenderizarPoligonoEspejo();

Algoritmo (continuación) 2. Con el buffer de color deshabilitado poner en el z-buffer el valor de profundidad máxima para los pixeles que corresponden al espejo glDepthRange(1, 1); glDepthFunv(GL_ALWAYS); glStencilFunc(GL_EQUAL, 1, ~0); glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP); RenderizarPoligonoEspejo(); 3. Restaurar el test de profundidad, la mascara de color y el rango de profundidad a los valores estándar glDepthFunc(GL_LESS); glColorMask(1, 1, 1, 1); glDepthRange(0, 1); Ahora tenemos marcados como 1 en el stencil buffer los pixeles que corresponden al espejo y con la máxima profundidad en el z-buffer

Algoritmo (continuación) 4. Para evitar renderizar polígonos ubicados detrás del espejo definiremos un plano de clipping GLfloat matrix[4][4]; GLdouble clipPlane[4]; glPushMatrix(); CalcularPlanoCorteEspejo(clipPlane); glClipPlane(GL_CLIP_PLANE0, clipPlane); CalcularMatrizEspejo(&matrix[0][0]); glMultMatrix(&matrix[0][0]); glCullFace(GL_FRONT); DrawScene(); DibujarOtrosEspejosComoSuperficiesGrises(); glCullFace(GL_BACK); glDisable(GL_CLIP_PLANE0); glPopMatrix(); Ahora esta correctamente rederizado el reflejo del espejo

Algoritmo (continuación) 5. Ahora reseteamos el valor del stencil buffer a 0 para que no se confundan con otros espejos, ademas actualizamos el z-buffer para que tenga como profundidad la del espejo y no la del objeto reflejado glColorMask(0, 0, 0, 0); glStencilop(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_ZERO); glDepthFunc(GL_ALWAYS); RenderizarPoligonoEspejo(); glDepthFunc(GL_LESS); glColorMask(1, 1, 1, 1);

Sombras Planas sin Stencil Los modelos de iluminación locales soportados por OpenGL y Direct3D no provocan sombras Proyectando un polígono sombre el plano a sombrear es una técnica para provocar el efecto sombra

Algoritmo 1. Cargar la matriz de modelización glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); glLookAt(eye[0], eye[1], eye[2], center[0], center[1], center[2], up[0], up[1], up[2]); 2. Dada la luz y la ecuación del plano donde se proyecta, y asumiendo que el objeto esta entre la luz y el plano, habilitar la luz y renderizar el objeto y el plano GLfloat lightPosition[4] = {LX, LY, LZ, 1.0}; GLfloat groundPlaneEquation[4] = {A, B, C, D}; glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPosition); glEnable(GL_LIGHT0); glEnable(GL_LIGHTING); DibujarObjeto(); DibujarPlano();

Algoritmo (continuación) 3. Meter en la pila la matriz de modelización glPushMatrix(); 4. Construir la matriz de proyección, multiplicar la matriz de modelización por la matriz de proyección de la sombra GLfloat matrix[4][4]; ShadowMatrix(&matrix[0][0], lightPosition, groundPlaneEquation); glMultMatrix(&matrix[0][0]); 5. A menos que lo remediemos la sombra y el plano donde se proyecta son coplanares. Esto causa problemas en el Z-Buffer, a veces la sombra esta más cerca, a veces igual y otras veces más alejado, esto es debido a imprecisiones en el cálculo numérico glEnable(GL_POLYGON_OFFSET_FILL); glPolygonOffset(1.0, 2.0); Esto provoca que este dos unidades más cerca

Algoritmo (continuación) 6. Deshabilitar la iluminación, poner el color gris oscuro y dibujar el objeto de nuevo glDisable(GL_LIGHTING); glColor3f(0.25, 0.25, 0.25); DibujarObjeto(); 7. Volver al estado anterior glDisable(GL_POLYGON_OFFSET); glPopMatrix();

Resultados Polygon Offset Stenciling

Sombras Planas con Stencil Evita problema de doble transparencia Impide que la sombra salga del polígono sobre el cual se quiere calcular la sombra

Algoritmo 1. Cargar la matriz de modelización glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); glLookAt(eye[0], eye[1], eye[2], center[0], center[1], center[2], up[0], up[1], up[2]); 2. Dada la luz y la ecuación del plano donde se proyecta, y asumiendo que el objeto esta entre la luz y el plano, habilitar la luz y renderizar el objeto y el plano GLfloat lightPosition[4] = {LX, LY, LZ, 1.0}; GLfloat groundPlaneEquation[4] = {A, B, C, D}; glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPosition); glEnable(GL_LIGHT0); glEnable(GL_LIGHTING); DibujarObjeto(); DibujarPlano();

Algoritmo (continuación) 3. Meter en la pila la matriz de modelización glPushMatrix(); 4. Construir la matriz de proyección, multiplicar la matriz de modelización por la matriz de proyección de la sombra GLfloat matrix[4][4]; ShadowMatrix(&matrix[0][0], lightPosition, groundPlaneEquation); glMultMatrix(&matrix[0][0]); 5. Asignar un valor distinto de cero al stencil buffer glEnable(GL_STENCIL_BUFFER); glStencilFunc(GL_ALWAYS, valor, ~0); glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_REPLACE); DibujarPlanoASombrear(); glDisable(GL_STENCIL_TEST);

Algoritmo (continuación) 6. Deshabilitar la iluminación glDisable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_BLEND); glBlendFunc(GL_DST_COLOR, GL_ZERO); glColor3f(0.5, 0.5, 0.5); glDisable(GL_DEPTH_TEST); Solo debemos actualizar los pixeles marcados con valor glEnable(GL_STENCIL_TEST); glStencilFunc(GL_EQUAL, valor, ~0); glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_ZERO); DibujarObjeto(); 7. Restaurar los valores glDisable(GL_BLEND); glDisable(GL_STENCIL_TEST); glEnable(GL_DEPTH_TEST); glPopMatrix();

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