Deferred shading of transparent surfaces with shadows and refraction

Abstract

Gecikmeli aydınlatma teknikleri, grafik kartları bu tekniklerden etkin bir şekilde faydalanabilecek kadar güçlenmeye başladıkça yaygınlaşmıştır. İlave ışıkları gecikmeli ışıklandırma ile kullanmak, aynı ışıkları ileri ışıklandırma ile kullanmaktan daha verimli olmasına rağmen, gecikmeli görsellemenin yüksek bellek kullanımı ve saydam yüzeylerin işlenememesi gibi belirli engelleri vardır. Halbuki, gerçek dünyada cam gibi saydam yüzeyler heryerde bulunabilir ve dolayısıyla gerçek dünyayı taklit etmeyi amaçlayan render motorlarında bulunabilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, tek bir saydamlık katmanının ikinci bir aydınlatma hattı kullanılmadan mümkün olduğu daha önceden öne sürülen bir yöntem kullanıldı. Bu yöntem, çalışmanın bir parçası olarak, saydam yüzeylerin gölgelerini ve ışığı kırmalarını kapsayacak şekilde genişletildi. Bu geliştirmelerin amacı, gecikmeli aydınlatmanın ileri gelen engellerinden biri olan saydamlık probleminin, gerçek zamanlı bir render motorunun sınırlarına bağlı kalarak saydamlık içeren sahnelerin görsel açıdan aslına uygunluğunu artırarak, kısmen üstesinden gelmekti. Işık kırılması ve saydam gölge destekleyen başka aydınlatma hatları ile beraber performans analizleri ve karşılaştırmaları yapıldı. Işık kırılması simule etmenin maliyeti ilave olarak 4 kaplama talimatı ve $13$ aritmatik talimat olarak bulundu. Bu maliyet 60000 çokgen bulunan bir sahnede saniyedeki görüntü sayısında %10 azalmaya sebep oldu. Test donanımında opak gölge yerine saydam gölge kullanmak saniyedeki görüntü sayısını 2 ışık içeren bir sahnede %13, 64 ışık içeren bir sahnede ise %34 azalttı. Bu çalışmada önerilen metod aynı etkileri destekleyen bir ileri aydınlatma motoruna göre, 8 ve 32 adet gölgeli ışık kullanıldığında sırasıyla en az %6 ve en çok %28 daha hızlı çalıştı.

Deferred rendering techniques became more widespread since graphic cards started becoming powerful enough to utilize such techniques effectively. While using additional lights with deferred rendering is more efficient than using them with forward rendering, deferred rendering has certain drawbacks, such as high memory usage and its inability to deal with transparency. However, transparent surfaces like glass are all around the real world and as such should be available in rendering engines that seek to simulate the real world. In this study a previously proposed method is used where a single layer of transparency is possible with deferred shading without resorting to a secondary rendering pipeline. This method is extended, as a part of the study, to incorporate refraction and shadows of transparent surfaces. The objective of these improvements is to partially overcome one of the major drawbacks of deferred rendering, that is transparency, by improving the visual fidelity of scenes containing transparency that use deferred shading while still adhering to the limitations of a real-time rendering engine. Performance analyses and comparisons are performed with other rendering pipelines where refraction and shadows of transparent surfaces are supported. The cost of simulating refraction in the fragment shader was found to be 4 extra texture instructions and 13 extra arithmetic instructions, which manifested as a 10% decrease in FPS in a test scene with 60000 polygons. The cost of transparent shadows was found to be 13% at 2 lights and 34% at 64 lights with the test rig. When more than 4 lights were used the proposed method was at least 6% faster and at most 2% faster than a forward renderer with the same effects at 8 and 32 shadow casting lights respectively.