Что такое окружающая окклюзия

25 декабря, 2023

В конце 90-х — начале 2000 годов геймерские дизайнеры пытались улучшить графику. В то время в графике использовались текстуры и полигоны. Позже разработчики поняли важность освещения для отрисовки персонажей и их теней в реальном времени. Тогда была разработана техника Ambient Occlusion, имитирующая взаимодействие света с различными поверхностями. В этой статье мы расскажем о Ambient Occlusion или окружающей окклюзии и о том, как она работает.

Ambient Occlusion (окружающая окклюзия)

Ambient Occlusion — это техника, используемая в компьютерной графике и 3D-рендеринге для имитации реалистичного взаимодействия света с поверхностями. Она помогает улучшить визуальное качество сцены, добавляя тонкие эффекты затенения, которые возникают из-за наличия близлежащих объектов или поверхностей, препятствующих прямому пути окружающего света.

Что делает окружающая окклюзия?

Ambient occlusion аппроксимирует окклюзию, или блокировку, окружающего света в областях, где поверхности находятся близко друг к другу. В реальности, когда объекты расположены близко друг к другу, они не позволяют части окружающего света достигать поверхностей, которые скрыты или частично загорожены. Это приводит к появлению более темных областей по краям, щелям и углам объектов, придавая сцене более приземленный и трехмерный вид.

Ambient occlusion помогает придать глубину и реалистичность визуализируемым изображениям. Оно создает ощущение контакта и взаимодействия между различными поверхностями, заставляя их чувствовать себя более физически присутствующими в сцене.

Ambient Occlusion (окружающая окклюзия)

Типы окклюзии окружения

Существует несколько видов техники ambient occlusion, используемых в компьютерной графике для моделирования взаимодействия света с поверхностями. Эти техники различаются по подходу и вычислительной сложности, а также по уровню реалистичности и визуального качества. Вот несколько распространенных типов окклюзии:

  • Screen-Space Ambient Occlusion (SSAO): SSAO — одна из наиболее часто используемых техник окклюзии в рендеринге в реальном времени. Она работает в пространстве экрана и рассчитывает эффекты окклюзии на основе информации о глубине пикселей на экране. Она относительно быстро вычисляется, но может не так точно передавать окклюзию, как некоторые другие техники.
  • Horizon-Based Ambient Occlusion (HBAO): HBAO — это усовершенствование базового SSAO. Он фокусируется на захвате окклюзии вблизи горизонта объектов и учитывает кривизну поверхности для определения окклюзии. Это приводит к более реалистичным и визуально привлекательным результатам по сравнению с SSAO.
  • High-Definition Ambient Occlusion (HDAO): HDAO — это усовершенствованная версия SSAO, которая использует более продвинутый алгоритм для расчета окклюзии. Он учитывает более сложные взаимосвязи между образцами глубины, что приводит к более качественным эффектам окклюзии с лучшей детализацией углов и щелей.
  • Voxel-Based Ambient Occlusion (VXAO): VXAO работает в трехмерном пространстве и разбивает сцену на воксели (трехмерные пиксели). Он рассчитывает окклюзию более объемным способом, что может привести к высокоточным эффектам окклюзии, особенно в сложных сценах. VXAO требует больших вычислительных затрат по сравнению с методами, использующими экранное пространство.
  • Ray-Traced Ambient Occlusion (RTAO): RTAO отслеживает лучи от поверхностей для более точного моделирования окклюзии, учитывая реальную геометрию сцены. Этот метод требует больших вычислительных затрат, но позволяет получить очень реалистичные результаты, улавливая эффекты окклюзии, которые другие методы могут упустить.
  • Многопроходная амбиентная окклюзия: При многопроходной окклюзии окружающего пространства сцена рендерится несколько раз с изменением освещения и окклюзии. Затем полученные изображения объединяются для достижения более точного эффекта окклюзии. Эта техника может быть ресурсоемкой, но обеспечивает гибкость в управлении качеством окклюзии.
  • CryEngine Ambient Occlusion (Crysis AO): Эта техника используется в CryEngine, игровом движке, разработанном компанией Crytek. Она сочетает в себе аспекты методов экранного пространства и воксельных методов для достижения высококачественных и эффективных эффектов окклюзии.
  • Ground Truth Ambient Occlusion (GTAO): GTAo — это передовая техника окклюзии окружения, используемая в современных игровых движках. Она сочетает в себе несколько подходов для создания точных эффектов окклюзии с минимальными артефактами.

Нужно ли использовать окклюзию окружения?

Стоит ли использовать окклюзию окружения, зависит от контекста вашего проекта. Если вы стремитесь к реалистичному или детализированному визуальному представлению, окклюзия может значительно улучшить общий вид ваших сцен. Хотя окружающая окклюзия повышает реалистичность, она также требует дополнительных вычислительных ресурсов. В приложениях реального времени, таких как видеоигры, необходимо тщательно продумать баланс между визуальным качеством и производительностью. В некоторых случаях, например в стилизованных или минималистичных художественных стилях, окклюзия может быть не нужна и даже противоречить желаемой эстетике. Для предварительно отрендеренных изображений или анимации, где вычислительные ресурсы не так важны, окружающая окклюзия может стать ценным инструментом для улучшения конечного результата.

Как окружающая окклюзия может повлиять на производительность?

Окружающая окклюзия может существенно повлиять на производительность в приложениях для рендеринга в реальном времени, таких как видеоигры или интерактивные симуляторы, из-за своих вычислительных требований. Вот как окклюзия может повлиять на производительность:

  1. Вычислительная сложность: Расчет окклюзии окружения включает в себя оценку того, сколько окружающего света достигает каждой точки на поверхности, учитывая взаимодействие с близлежащими объектами. Этот процесс может потребовать больших вычислительных затрат, особенно если требуется точный результат. Более сложные сцены с большим количеством объектов и поверхностей требуют большего количества вычислений, что может привести к нагрузке на графический процессор (GPU) и центральный процессор (CPU).
  2. Влияние на частоту кадров: В приложениях, работающих в режиме реального времени, поддержание плавной и стабильной частоты кадров имеет решающее значение для комфортной работы пользователей. Если вычисления, необходимые для окклюзии, требуют слишком много ресурсов, это может привести к падению частоты кадров, в результате чего сцена будет выглядеть неровной или лагающей.
  3. Нагрузка на графический процессор: Вычисления Ambient occlusion обычно выполняются на GPU, который решает задачи рендеринга. Если GPU уже сильно загружен другими задачами рендеринга, такими как затенение, освещение и моделирование физики, добавление расчетов окклюзии окружения может еще больше нагрузить GPU и привести к падению производительности.
  4. Разрешение и качество: Качество и точность эффектов окружающего затенения можно регулировать, при этом более качественные настройки требуют больше вычислительных ресурсов. Более высокое разрешение и более точные расчеты обеспечивают лучшую визуальную достоверность, но также требуют большей вычислительной мощности.
  5. Рендеринг в реальном времени против автономного рендеринга: При рендеринге в нереальном времени, например при автономной генерации изображений или анимации, вычислительные затраты на окружающую окклюзию могут быть менее значительными, поскольку для расчетов требуется больше времени. Однако в приложениях, работающих в режиме реального времени, вычисления должны выполняться в течение доли секунды для каждого кадра, что может оказаться непростой задачей.

Чтобы справиться с влиянием окклюзии на производительность, разработчики и художники часто используют такие методы, как: Настройки качества, оптимизация, кэширование и аппаратное ускорение.

Игры и приложения часто предлагают различные предустановки качества, которые регулируют уровень детализации окружающего заслонения. Более низкие настройки могут использовать более простые или быстрые вычисления для поддержания производительности. Разработчики могут внедрить оптимизацию и алгоритмы, которые делают вычисления окружающего затенения более эффективными без ущерба для визуального качества. В некоторых случаях результаты предыдущих кадров могут быть использованы повторно, если сцена не претерпела значительных изменений, что уменьшает необходимость пересчитывать окружающее затенение в каждом кадре. Использование современных возможностей GPU и методов аппаратного ускорения позволяет более эффективно распределить вычислительную нагрузку.

В конечном итоге решение об использовании окклюзии и уровне детализации зависит от желаемого баланса между визуальным качеством и производительностью в конкретном приложении.

Написать комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *