Sombreado diferido

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En el campo de los gráficos por computadora en 3D , el sombreado diferido es una técnica de sombreado del espacio de pantalla que se realiza en un segundo paso de renderizado , después de que se renderizan los sombreadores de vértices y píxeles. ^[2] Fue sugerido por primera vez por Michael Deering en 1988. ^[3]

En la primera pasada de un sombreador diferido, solo se recopilan los datos necesarios para el cálculo del sombreado. Las posiciones, las normales y los materiales de cada superficie se renderizan en el búfer de geometría ( búfer G ) mediante " renderizar a textura ". Después de esto, un sombreador de píxeles calcula la iluminación directa e indirecta en cada píxel utilizando la información de los búferes de textura en el espacio de la pantalla .

La oclusión direccional del espacio de pantalla ^[4] puede formar parte de la cadena de sombreado diferido para dar direccionalidad a las sombras y las interreflexiones.

La principal ventaja del sombreado diferido es la disociación de la geometría de la escena de la iluminación. Solo se requiere un paso de geometría y cada luz se calcula solo para aquellos píxeles a los que realmente afecta. Esto brinda la capacidad de renderizar muchas luces en una escena sin una pérdida significativa del rendimiento. ^[5] Existen otras ventajas que se atribuyen a este enfoque. Estas ventajas pueden incluir una gestión más sencilla de recursos de iluminación complejos, facilidad de gestión de otros recursos de sombreado complejos y la simplificación del proceso de renderizado del software.

Una desventaja clave de la renderización diferida es la incapacidad de manejar la transparencia dentro del algoritmo, aunque este problema es genérico en las escenas con búfer Z y tiende a ser manejado retrasando y ordenando la renderización de las partes transparentes de la escena. ^[6] El peeling de profundidad se puede utilizar para lograr una transparencia independiente del orden en la renderización diferida, pero a costa de lotes adicionales y tamaño de búfer g. El hardware moderno, compatible con DirectX 10 y posteriores, a menudo es capaz de realizar lotes lo suficientemente rápido como para mantener velocidades de cuadros interactivas. Cuando se desea una transparencia independiente del orden (comúnmente para aplicaciones de consumo), el sombreado diferido no es menos efectivo que el sombreado hacia adelante utilizando la misma técnica.

Otra desventaja seria es la dificultad de utilizar múltiples materiales. Es posible utilizar muchos materiales diferentes, pero requiere almacenar más datos en el búfer G, que ya es bastante grande y ocupa una gran cantidad del ancho de banda de la memoria. ^[7]

Otra desventaja es que, debido a la separación de la etapa de iluminación de la etapa geométrica, el anti-aliasing de hardware ya no produce resultados correctos ya que las submuestras interpoladas darían como resultado atributos de posición, normal y tangente sin sentido. Una de las técnicas habituales para superar esta limitación es utilizar la detección de bordes en la imagen final y luego aplicar desenfoque sobre los bordes, ^[8] sin embargo, recientemente se han desarrollado técnicas de suavizado de bordes de post-proceso más avanzadas, como MLAA ^{[9] [10]} (usado en Killzone 3 y Dragon Age II , entre otros), FXAA ^[11] (usado en Crysis 2 , FEAR 3 , Duke Nukem Forever ), SRAA, ^[12] DLAA ^[13] (usado en Star Wars: The Force Unleashed II ), y post MSAA (usado en Crysis 2 como solución de anti-aliasing predeterminada). Aunque no es una técnica de suavizado de bordes, el anti-aliasing temporal (usado en Halo: Reach y Unreal Engine ) también puede ayudar a dar a los bordes una apariencia más suave. ^[14] DirectX 10 introdujo características que permiten a los sombreadores acceder a muestras individuales en objetivos de renderizado multimuestreados (y buffers de profundidad en la versión 10.1), brindando a los usuarios de esta API acceso al anti-aliasing de hardware en sombreado diferido. Estas características también les permiten aplicar correctamente el mapeo de luminancia HDR a los bordes anti-aliasados, donde en versiones anteriores de la API cualquier beneficio del anti-aliasing puede haberse perdido.

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La iluminación diferida (también conocida como Light Pre-Pass) es una modificación del sombreado diferido. ^[15] Esta técnica utiliza tres pasadas, en lugar de dos en el sombreado diferido. En la primera pasada sobre la geometría de la escena, solo las normales y el factor de dispersión especular se escriben en el búfer de color. La pasada "diferida" en el espacio de la pantalla acumula luego datos de iluminación difusa y especular por separado, por lo que se debe realizar una última pasada sobre la geometría de la escena para generar la imagen final con sombreado por píxel. La aparente ventaja de la iluminación diferida es una reducción drástica del tamaño del G-Buffer. El costo obvio es la necesidad de renderizar la geometría de la escena dos veces en lugar de una. Un costo adicional es que la pasada diferida en la iluminación diferida debe generar la irradiancia difusa y especular por separado, mientras que la pasada diferida en el sombreado diferido solo necesita generar un único valor de radiancia combinado.

Gracias a la reducción del tamaño del búfer G, esta técnica puede superar parcialmente una desventaja importante del sombreado diferido: los materiales múltiples. Otro problema que se puede solucionar es el MSAA . La iluminación diferida se puede utilizar con MSAA en hardware DirectX 9. ^{[ cita requerida ]}

El uso de esta técnica ha aumentado en los videojuegos debido al control que permite en términos de utilizar una gran cantidad de luces dinámicas y reducir la complejidad de las instrucciones de sombreado requeridas. Algunos ejemplos de juegos que utilizan iluminación diferida son:

En comparación con la iluminación diferida, esta técnica no es muy popular ^{[ cita requerida ]} debido a los altos requisitos de tamaño de memoria y ancho de banda, especialmente en las consolas de séptima generación, donde el tamaño de la memoria gráfica y el ancho de banda son limitados y a menudo constituyen cuellos de botella.

La idea del sombreado diferido fue introducida originalmente por Michael Deering y sus colegas en un artículo ^[3] publicado en 1988 titulado El procesador triangular y el sombreador vectorial normal: un sistema VLSI para gráficos de alto rendimiento . Aunque el artículo nunca utiliza la palabra "diferido", se introduce un concepto clave; cada píxel se sombrea solo una vez después de la resolución de profundidad. El sombreado diferido tal como lo conocemos hoy, utilizando búferes G, fue introducido en un artículo de Saito y Takahashi en 1990, ^[56] aunque ellos tampoco utilizan la palabra "diferido". El primer videojuego con sombreado diferido fue Shrek , un título de lanzamiento de Xbox enviado en 2001. ^[57] Alrededor de 2004, comenzaron a aparecer implementaciones en hardware gráfico comercial. ^[58] La técnica luego ganó popularidad para aplicaciones como los videojuegos , y finalmente se convirtió en la corriente principal alrededor de 2008 a 2010. ^[59]