Almacenamiento en búfer Z

Un búfer Z , también conocido como búfer de profundidad , es un tipo de búfer de datos utilizado en gráficos por computadora para almacenar la información de profundidad de los fragmentos. Los valores almacenados representan la distancia a la cámara, siendo 0 la distancia más cercana. El esquema de codificación puede invertirse, de modo que el número más alto corresponda al valor más cercano a la cámara.

En un proceso de renderizado 3D , cuando un objeto se proyecta en la pantalla, la profundidad (valor z) de un fragmento generado en la imagen proyectada se compara con el valor almacenado en el búfer ( prueba de profundidad ) y, si el nuevo valor es menor, se reemplaza. Esto funciona en conjunto con el rasterizador , que calcula los valores de color. El fragmento generado por el rasterizador se guarda si no está superpuesto por otro fragmento.

El búfer Z es una técnica utilizada en casi todos los ordenadores, portátiles y teléfonos móviles actuales para generar gráficos 3D . Su uso principal hoy en día es en videojuegos , que requieren un procesamiento rápido y preciso de escenas 3D.

El Z-buffering fue descrito por primera vez en 1974 por Wolfgang Straßer en su tesis doctoral sobre algoritmos rápidos para la representación de objetos ocluidos. ^{[ 2 ]} Una solución similar para determinar polígonos superpuestos es el algoritmo del pintor , que es capaz de manejar elementos de escena no opacos, aunque a costa de la eficiencia y resultados incorrectos.

Los búferes Z suelen implementarse mediante hardware en las tarjetas gráficas de consumo . El almacenamiento en búfer Z también se utiliza (implementado por software en lugar de hardware) para producir efectos especiales generados por ordenador para películas.

Incluso con una granularidad suficientemente pequeña, pueden surgir problemas de calidad cuando la precisión de los valores de distancia del búfer Z no se distribuye uniformemente. Los valores más cercanos son mucho más precisos (y, por lo tanto, pueden mostrar mejor los objetos cercanos) que los valores más lejanos. Generalmente, esto es deseable, pero a veces provoca la aparición de artefactos a medida que los objetos se alejan. Una variante del búfer Z que da como resultado una precisión distribuida de manera más uniforme se denomina búfer W (véase más abajo ).

Al inicio de una nueva escena, el búfer Z debe borrarse hasta un valor definido, normalmente 1,0, porque este valor es el límite superior (en una escala de 0 a 1) de profundidad, lo que significa que no hay ningún objeto presente en este punto a través del frustum de visión .

La invención del concepto de búfer Z se atribuye con mayor frecuencia a Edwin Catmull , aunque Wolfgang Straßer describió esta idea en su tesis doctoral de 1974 meses antes de la invención de Catmull. ^{[ a ]}

En las tarjetas gráficas de PC más recientes (1999-2005), la gestión del búfer Z utiliza una parte significativa del ancho de banda de memoria disponible . Se han empleado varios métodos para reducir el coste de rendimiento del búfer Z, como la compresión sin pérdidas (los recursos informáticos para comprimir/descomprimir son más baratos que el ancho de banda) y el borrado Z por hardware ultrarrápido que deja obsoleto el truco de "un fotograma positivo, un fotograma negativo" (omitiendo por completo el borrado entre fotogramas mediante números con signo para comprobar las profundidades de forma inteligente).

Algunos juegos, especialmente varios de la última etapa del ciclo de vida de la Nintendo 64 , optaron por minimizar el z-buffering (por ejemplo, renderizando primero el fondo sin z-buffering y usándolo solo para los objetos en primer plano) o incluso omitirlo por completo, para reducir los requisitos de ancho de banda y memoria, respectivamente. Super Smash Bros. y F-Zero X son dos juegos de Nintendo 64 que minimizaron el z-buffering para aumentar la velocidad de fotogramas . Varios juegos de Factor 5 también lo minimizaron u omitieron. En la Nintendo 64, el z-buffering puede consumir hasta cuatro veces más ancho de banda que no usarlo. ^{[ 3 ]}

Mechwarrior 2 en PC admitía resoluciones de hasta 800  ×  600 ^{[ 4 ]} en el 3dfx Voodoo original de 4 MB debido a que no utilizaba búfer Z.

En el renderizado , el z-culling es una técnica de eliminación temprana de píxeles basada en la profundidad, que mejora el rendimiento cuando el renderizado de superficies ocultas es costoso. Es una consecuencia directa del z-buffering, donde la profundidad de cada píxel candidato se compara con la profundidad de la geometría existente tras la cual podría estar oculto.

Al usar un búfer Z, un píxel se puede descartar tan pronto como se conoce su profundidad, lo que permite omitir todo el proceso de iluminación y texturizado de un píxel que de todos modos no sería visible . Además, los sombreadores de píxeles que consumen mucho tiempo generalmente no se ejecutarán para los píxeles descartados. Esto convierte al descarte de píxeles en una buena opción de optimización en situaciones donde la tasa de relleno , la iluminación, el texturizado o los sombreadores de píxeles son los principales cuellos de botella .

Si bien el búfer Z permite que la geometría no esté ordenada, ordenar los polígonos por profundidad creciente (utilizando así un algoritmo de pintor inverso ) permite que cada píxel de la pantalla se renderice menos veces. Esto puede aumentar el rendimiento en escenas con velocidad de relleno limitada y grandes cantidades de sobreimpresión, pero si no se combina con el búfer Z, sufre graves problemas como:

• polígonos que se ocluyen entre sí en un ciclo (por ejemplo, el triángulo A ocluye a B, B ocluye a C, C ocluye a A).
• la falta de un punto "más cercano" canónico en un triángulo (es decir, no importa si se ordenan los triángulos por su centroide , punto más cercano o punto más lejano, siempre se pueden encontrar dos triángulos A y B tales que A está "más cerca", pero en realidad B debería dibujarse primero).

Por lo tanto, un algoritmo de pintura inversa no puede utilizarse como alternativa al z-culling (sin una reingeniería compleja), salvo como una optimización del z-culling. Por ejemplo, una optimización podría consistir en mantener los polígonos ordenados según su posición x/y y profundidad z para establecer límites, con el fin de determinar rápidamente si dos polígonos podrían tener una interacción de oclusión.

El rango de valores de profundidad en el espacio de la cámara que se va a renderizar a menudo se define entre un${\displaystyle {\textit {cerca}}}$y${\displaystyle {\textit {lejos}}}$valor de${\displaystyle z}$.

Después de una transformación de perspectiva , el nuevo valor de${\displaystyle z}$, o${\displaystyle z'}$, se define por:

${\displaystyle z'={\frac {{\textit {lejos}}+{\textit {cerca}}}{{\textit {lejos}}-{\textit {cerca}}}}+{\frac {1}{z}}\left({\frac {-2\cdot {\textit {lejos}}\cdot {\textit {cerca}}}{{\textit {lejos}}-{\textit {cerca}}}}\right)}$

Después de una proyección ortográfica , el nuevo valor de${\displaystyle z}$, o${\displaystyle z'}$, se define por:

${\displaystyle z'=2\cdot {\frac {{z}-{\textit {cerca}}}{{\textit {lejos}}-{\textit {cerca}}}}-1}$

dónde${\displaystyle z}$es el antiguo valor de${\displaystyle z}$en el espacio de la cámara, y a veces se le llama${\displaystyle w}$o${\displaystyle w'}$.

Los valores resultantes de${\displaystyle z'}$se normalizan entre los valores de –1 y 1, donde el${\displaystyle {\textit {cerca}}}$El avión está en –1 y el${\displaystyle {\mathit {lejos}}}$El plano está en 1. Los valores fuera de este rango corresponden a puntos que no están en el tronco de visión y no deben renderizarse.

El siguiente pseudocódigo demuestra el proceso de almacenamiento en búfer Z:

// En primer lugar, inicializamos la profundidad de cada píxel. d(i, j) = infinito // Longitud máxima // Inicializa el valor de color de cada píxel al color de fondo. c(i, j) = color de fondo // Para cada polígono, siga los siguientes pasos: para (cada píxel en la proyección del polígono) {     // Calcula la profundidad, es decir, la coordenada z del polígono.     // en (x, y) correspondiente al píxel (i, j)        si (z < d(i, j))     {         d(i, j) = z;         c(i, j) = color;     } } 

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