Volumen de sombra

El volumen de sombra es una técnica utilizada en gráficos 3D por computadora para agregar sombras a una escena renderizada. Fue propuesta por primera vez por Frank Crow en 1977 ^{[ 1 ]} como la geometría que describe la forma 3D de la región ocluida por una fuente de luz. Un volumen de sombra divide el mundo virtual en dos: áreas que están en sombra y áreas que no lo están.

La implementación de volúmenes de sombra mediante búfer de plantilla se utilizó ampliamente en la renderización en tiempo real, y se empleó notablemente en el videojuego Doom 3 ^{[ 2 ]} . La variación particular de la técnica utilizada en este juego se conoce como Carmack's Reverse .

En la renderización moderna en tiempo real, las técnicas de mapeo de sombras y sus variaciones se han vuelto más utilizadas ^{[ 3 ] [ 4 ]} , debido a sus características de rendimiento y compatibilidad con las canalizaciones de renderización contemporáneas ^{[ 5 ]} .

Para construir un volumen de sombra, se proyecta un rayo desde la fuente de luz a través de cada vértice del objeto que proyecta la sombra hasta un punto determinado (generalmente en el infinito). Estas proyecciones formarán un volumen; cualquier punto dentro de ese volumen estará en sombra, mientras que todo lo que esté fuera estará iluminado.

Para un modelo poligonal, el volumen se suele formar clasificando cada cara como orientada hacia la fuente de luz o alejada de ella. El conjunto de aristas que conectan una cara orientada hacia la fuente de luz con una cara alejada de ella forma la silueta con respecto a la fuente de luz. Estas aristas se extruyen alejándose de la luz para construir las caras del volumen de sombra. Este volumen debe abarcar toda la escena visible; a menudo, sus dimensiones se extienden hasta el infinito para lograrlo (véase la optimización más adelante). Para formar un volumen cerrado, los extremos frontal y posterior de esta extrusión deben estar cubiertos. Estas cubiertas se denominan «tapas». Dependiendo del método utilizado para el volumen de sombra, el extremo frontal puede estar cubierto por el propio objeto, mientras que el extremo posterior a veces se omite (véase el paso de profundidad más adelante).

También existe un problema con la sombra cuando las caras a lo largo del borde de la silueta son relativamente planas. En este caso, la sombra que un objeto proyecta sobre sí mismo será nítida, revelando sus facetas poligonales, mientras que el modelo de iluminación habitual tendrá un cambio gradual en la iluminación a lo largo de la faceta. Esto deja un artefacto de sombra rugosa cerca del borde de la silueta que es difícil de corregir. Aumentar la densidad poligonal minimizará el problema, pero no lo eliminará. Si se limita el frente del volumen de sombra, todo el volumen de sombra puede desplazarse ligeramente lejos de la luz para eliminar cualquier autointersección de sombra dentro de la distancia de desplazamiento del borde de la silueta (esta solución se usa más comúnmente en el mapeo de sombras ).

Los pasos básicos para formar un volumen de sombra son:

1. Encuentra todos los bordes de la silueta (bordes que separan las caras frontales de las caras posteriores).
2. Extiende todos los bordes de la silueta en dirección opuesta a la fuente de luz.
3. Agregue una tapa frontal y/o una tapa trasera a cada superficie para formar un volumen cerrado (puede que no sea necesario, dependiendo de la implementación utilizada).

Después de Crow, en 1991 Tim Heidmann demostró cómo usar el búfer de plantilla para renderizar sombras con volúmenes de sombra lo suficientemente rápido como para usarlo en aplicaciones en tiempo real. Hay tres variaciones comunes de esta técnica: paso de profundidad , fallo de profundidad y OR exclusivo , pero todas ellas usan el mismo proceso:

1. Representa la escena como si estuviera completamente en sombra.
2. Para cada fuente de luz:
   1. Utilizando la información de profundidad de esa escena, construya una máscara en el búfer de plantilla que tenga agujeros solo donde la superficie visible no esté en sombra.
   2. Vuelve a renderizar la escena como si estuviera completamente iluminada, utilizando el búfer de plantilla para enmascarar las zonas sombreadas. Aplica la fusión aditiva para añadir este renderizado a la escena.

La diferencia entre estos tres métodos radica en la generación de la máscara en el segundo paso. Algunos requieren dos pasadas, otros solo una; algunos exigen menor precisión en el búfer de plantilla.

Los volúmenes de sombra tienden a cubrir grandes porciones de la escena visible y, como resultado, consumen un valioso tiempo de rasterización (tiempo de relleno) en el hardware de gráficos 3D. Este problema se agrava por la complejidad de los objetos que proyectan sombras, ya que cada objeto puede proyectar su propio volumen de sombra de cualquier tamaño en pantalla. Consulte la sección de optimización a continuación para obtener información sobre las técnicas utilizadas para solucionar el problema del tiempo de relleno.

• Un método para acelerar los cálculos de la geometría del volumen de sombras consiste en utilizar partes existentes del pipeline de renderizado para realizar parte del cálculo. Por ejemplo, mediante el uso de coordenadas homogéneas , la coordenada w puede establecerse en cero para extender un punto hasta el infinito. Esto debe ir acompañado de un frustum de visualización con un plano de recorte lejano que se extienda hasta el infinito para dar cabida a esos puntos, lo cual se logra mediante el uso de una matriz de proyección especializada. Esta técnica reduce ligeramente la precisión del búfer de profundidad, pero la diferencia suele ser insignificante. Véase el artículo de 2002 «Volúmenes de sombras con plantilla prácticos y robustos para renderizado acelerado por hardware», de C. Everitt y M. Kilgard , para una implementación detallada.
• El tiempo de rasterización de los volúmenes de sombra se puede reducir utilizando una prueba de recorte en el hardware para limitar las sombras a un rectángulo específico en la pantalla.
• Se puede lograr una sola pasada utilizando una variable integrada del sombreador para detectar las caras frontales en lugar de dos pasadas separadas para descartar una sobre la otra, combinado con la sustitución del búfer de plantilla por una mezcla aritmética en el búfer de color.
• Nvidia ha implementado una función de hardware llamada prueba de límites de profundidad , diseñada para eliminar partes de los volúmenes de sombra que no afectan a la escena visible. (Esta función está disponible desde el modelo GeForce FX 5900). En la Game Developers Conference de 2005 se presentó una discusión sobre esta función y su uso con volúmenes de sombra. ^{[ 13 ]}
• Dado que el método depth-fail solo ofrece una ventaja sobre depth-pass en el caso especial en que el ojo se encuentra dentro de un volumen de sombra, es preferible verificar este caso y usar depth-pass siempre que sea posible. Esto evita tanto el cierre posterior innecesario (y la rasterización asociada) para los casos en que depth-fail no es necesario, como el problema del cierre frontal adecuado para los casos especiales de depth-pass .
• En las arquitecturas de GPU más recientes, se pueden usar sombreadores de geometría para generar los volúmenes de sombra. ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• En sistemas que no admiten sombreadores de geometría, también se pueden usar sombreadores de vértices para crear volúmenes de sombra extruyendo selectivamente vértices que ya residen en la memoria de la GPU. ^{[ 16 ]}

• Borde de la silueta
• Mapeo de sombras , un algoritmo de sombreado alternativo
• Tampón de plantilla
• Búfer de profundidad
• Lista de patentes de software