SSAO (англ. screen space ambient occlusion — преграждение окружающего света в экранном пространстве) — программная техника (методика) в трёхмерной компьютерной графике, которая является приближенной имитацией глобального освещения и представляет собой изменённый и усовершенствованный вариант методики Ambient occlusion. Алгоритм SSAO работает в режиме реального времени и имитирует рассеянное непрямое освещение и соответствующее затемнение в трёхмерном виртуальном пространстве.
SSAO был разработан отделом исследований и разработок немецкой компании Crytek при разработке графических компонентов игрового движка CryEngine 2. [1] Crysis, первая игра на CryEngine 2, разработанная Crytek и вышедшая осенью 2007 года, впервые использовала SSAO. Позже данный алгоритм и его модификации были использованы во многих игровых движках, включая Leadwerks Engine, Dagor Engine, Unreal Engine, Unity, X-Ray, Glacier 2 и других.
Содержание
Описание работы [ править | править код ]
Алгоритм SSAO исполняется на графическом процессоре видеокарты и осуществляется как пиксельный шейдер, анализирующий буфер глубины (Z-буфер) сцены, который сохранён в текстуре.
При работе алгоритма Ambient occlusion пиксельный шейдер производит выборку значения глубины для каждого пикселя на экране вокруг текущего пикселя и пытается вычислить количество преград от каждой из выбранных точек. В своей самой простой реализации коэффициент преграды зависит только от различия глубины выбранной точки и текущей точки. Без дополнительных продвинутых решений и алгоритмов такой метод решения «в лоб» потребовал бы приблизительно 200 чтений из текстуры для каждого пикселя для хорошего визуального качества. Это число не является приемлемым для рендеринга в режиме реального времени на современных графических процессорах.
Алгоритм SSAO призван упростить вычислительную сложность алгоритма Ambient occlusion и сделать его подходящим для работы на графических процессорах в режиме реального времени. Вместе с тем качество результирующего изображения у SSAO является худшим, чем в первоначальном Ambient occlusion, так как SSAO использует аппроксимирующие (приближающие) методики рендеринга.
Для создания Screen Space Ambient Occlusion необходимо иметь две текстуры со сценой:
- Normal Map: положение нормали объектов сцены в каждой точке (пикселе), отображаемой на экране.
- Position Map: координаты объекта в каждой точке (пикселе), отображаемой на экране.
Потом берётся Position Map и Normal Map каждого текселя на экране и обрабатываются соседние тексели. По отношению позиций соседних текселей к обрабатываемому, ему присваивается определённый уровень «затенения».
Для получения высококачественных результатов с гораздо меньшим количеством чтений текстуры, по сравнению с Ambient occlusion, в SSAO осуществление выборки используется вместе с случайно вращаемым ядром. Ориентация ядра повторяется каждые N пикселей экрана для того, чтобы иметь только высокочастотные искажения в финальном изображении. В конце это высокочастотное искажение удаляется NxN количеством прохода постпроцессора, размывающего изображение (англ. Blur ). При этом принимается во внимание глубина неоднородностей, используя такие методы, как сравнение смежных нормалей и глубин. Такое решение позволяет сокращать количество выборок глубины на пиксель к приблизительно 16 или меньше, в то же время предоставляя высококачественный результат и позволяя использовать SSAO в приложениях реального времени, таких как компьютерные игры.
Преимущества и недостатки [ править | править код ]
По сравнению с другими алгоритмами модели Ambient occlusion, у SSAO есть следующие преимущества:
- Независимость от сложности сцены.
- Нет необходимости в предварительной обработке данных (пре-процессинг).
- Нет времени загрузки.
- Не используется системная (оперативная) память.
- Возможность работы с динамическими сценами.
- Работает тем же самым непротиворечивым способом для каждого пикселя на экране, как и алгоритм Ambient occlusion.
- SSAO выполняется полностью на графическом процессоре, не используя центральный процессор.
- Может быть легко интегрирован в любой современный графический конвейер.
Вместе с преимуществами алгоритму SSAO свойственны и недостатки:
- Алгоритм SSAO менее качественный, так как использует упрощающие методики для увеличения производительности.
- Алгоритм больше локальный, чем глобальный, во многих случаях зависящий от обзора, поскольку он зависит от смежных глубин текселей, которые могут быть сгенерированы любой геометрией.
- Алгоритму SSAO тяжело корректно сгладить/размыть искажения, не сталкиваясь с неоднородностью глубины, которая возникает, например, на гранях объектов.
С появлением 3D-игр у их создателей серьезно прибавилось проблем: о сглаживании мы уже говорили, также мы говорили и о фильтрации текстур. Теперь же поговорим о еще одном эффекте, который позволяет серьезно улучшить реалистичность картинки — о Ambient Occlusion (AO), или о затенении.
В оптике можно выделить три простых градации освещенности — тень (источник света не виден), полутень (источник света виден частично) и освещенное место (источник света виден полностью). Казалось бы — все просто, рассчитать границы тени и полутени можно в два счета с помощью обыкновенных лучей. Однако полученная в результате картинка наводит на мысль, что мы где-то что-то забыли: 
Таких черных теней не бывает (ну на Земле по крайней мере), так что сразу становится очевидным, что мы забыли — рассеяние света: суть в том, что в реальном времени фотоны могут отражаться от различных поверхностей и в итоге попадать туда, куда напрямую фотоны от источника не долетают: именно поэтому в тени хоть и темнее, чем на свету, но не черным черно. На Земле таким «рассеивателем» фотонов выступает сама атмосфера.
Но тут возникает вопрос — а как это рассчитать-то? Увы — алгоритма, дающего 100% точное рассеяние света в real-time, нет, однако есть множество хорошо приближенных к реальности алгоритмов, отлаженных настолько, что они спокойно используются в видеоиграх.
Для начала — общая для всех алгоритмов теория: можно ввести так называемую среднюю освещенность всей сцены, своеобразную аппроксимацию непрямого освещения. Но вот проблема в том, что в местах, где есть тень, такая аппроксимация будет давать повышенную яркость. Поэтому можно несколько усложнить ее — снижать яркость в тех местах, куда отраженному свету труднее добраться. То есть для каждого фрагмента сцены мы находим так называемый заграждающий фактор: количество свободных «путей» для фотона деленное на все количество путей фотона до данного участка, и на основе этих данных и средней яркости сцены можно рассчитать яркость конкретного участка.
Однако тут мы получаем очередную проблему — отрисовка геометрии происходит постепенно, поэтому заграждающий фактор также в процессе отрисовки может серьезно меняться. Можно, конечно, рассчитать AO на этапе загрузки сцены, но тогда затенение не коснется динамических объектов (персонажей, машин и т.д.) — а это нехорошо. И тут приходит идея использовать для отрисовки затенения экранное пространство (Screen Space), что в итоге выливается в простейший алгоритм AO — SSAO.
SSAO
Этот алгоритм появился еще в Crysis 10 лет назад. Его суть проста: после построения геометрии у нас остается Z-буфер, или буфер глубины, который включает в себя абсолютно всю информацию о геометрии сцены — а значит никаких проблем сделать AO нет.
Хотя, конечно, кого я обманываю — проблемы есть, и самая серьезная — недостаточная производительность современных видеокарт: для того, чтобы получить более-менее неплохую карту затенения, для каждого фрагмента сцены нужно обсчитывать порядка 200-250 направлений, что позволяет «закопать» любой GPU. Поэтому делается хитрее — используется 8-32 «луча», направленные на выбранный фрагмент сцены, которые каждый раз поворачиваются на случайное значение. В итоге получается терпимое качество картинки с не очень большими затратами на расчеты:
В дальнейшем алгоритм был доработан — стали использоваться карты нормалей, что снизило сложность вдвое и позволило в итоге вдвое увеличить число выборок. Ну и финальный штрих — стали использовать размытие, дабы сгладить шум от случайных выборок.
HBAO и HBAO+
Nvidia не была бы Nvidia, если бы не стала развивать затенение дальше, представив в 2008 году HBAO — Horizon Based Ambient Occlusion. От SSAO это затенение отличалось тем, что оно основано на физической модели, где аппроксимируется интеграл освещенности фрагмента сцены со значениями выборки буфера глубины. Итоговое качество оказывается выше SSAO при большом числе выборок, но мы опять же упираемся в производительность. Поэтому HBAO рендерится обычно в более низком разрешении, что приводит к мерцанию картинки.
Проблема мерцания была исправлена в HBAO+ простым методом, который сейчас активно использует Sony в 4К играх на PlayStation 4 Pro: для рассчета HBAO+ используется шахматный рендеринг, то есть для обработки затенения используется часть предыдущего кадра и половина нового: это требует меньше затрат GPU, но при этом позволяет рендерить затенение в исходном разрешении, что и убирает мерцание.
HDAO
AMD в стороне не остались, и стали использовать собственное затенение (которое, к слову, также работает и на Nvidia) — HDAO (High Definition AO). Увы — AMD не делится алгоритмом, однако известно, что в его основе лежит Gather4 — технология, которая собирает 4 текселя в один регистр. То есть, как и с HBAO, по сути происходит рендеринг в пониженном разрешении. В итоге, в среднем картинка с HBAO и HDAO сравнима по качеству, но опять же — все достаточно сильно зависит от игры: к примеру, в Far Cry 3 с HDAO трава выглядит красивее:
VXAO
С выходом DX12 Nvidia представила принципиально новое затенение — VXAO (Voxel Accelerated Ambient Occlusion). Его суть в том, что оно работает уже не с пикселями и текселями (то есть 2D-объектами), а с вокселями — аналогом пикселя в 3D. И теперь мы используем не Z-буфер, а воксельное построение сцены, поэтому алгоритм состоит из трех пунктов: вокселизация, постобработка вокселей и трассировка конуса. Вокселизация выполняется путем рендеринга треугольных сеток в трехмерную текстуру, и поэтому ее производительность сильно зависит от общего количества треугольников, размера этих треугольников и количества вызовов рисования, необходимых для их рендеринга. Постобработка объединяет проходы, такие как очистка, фильтрация и понижающие выборки вокселей, а ее производительность зависит от общего количества вокселей, созданных во время вокселизации. Типичное время после обработки составляет 0,5 — 1,5 мс. И, наконец, трассировка конуса выполняется в пространстве экрана, поэтому его производительность зависит от разрешения экрана и скорости затенения. Итоговое качество картинки оказывается в куда лучше, чем с HBAO+:
На этом все. Советы для игроков простые: если компьютер хорошо тянет игру без AO, то можно попробовать включить SSAO или HBAO — обычно это снижает fps не более чем на 10%. Если же и с ними производительность отличная — можно попробовать HBAO+ и HDAO. Ну и для самых топовых видеокарт современности можно порекомендовать набирающее обороты VXAO — оно крайне требовательно к ресурсам (в том числе и к видеопамяти), поэтому даже в FHD оно будет доступно лишь пользователям старших Nv >
HBAO (расшифровывается как "Horizon-based Ambient Occlusion") является технологией, первоначально разработанной Nvidia и включенной нами в свой движок для использования в режимах DX10 и DX11. Это технология создает мягкий и реалистичными контактные тени (затенение) между объектами, и может действительно улучшить графику, но довольно тонко. HBAO весьма требователен к GPU и потому предназначен прежде всего для hi-end видеокарт. Рассчитывает HBAO целиком видеокарта. С момента релиза ПК-беты мы проделали кучу оптимизаций вместе с NVIDIA и AMD, так что если у вас были проблемы с производительностью с бетой раньше, попробуйте финальную версию игры, если у вас современный и быстрый GPU!
************************
если покороче, то
HDAO — предпочтительно для красных (радеонов)
HBAO — предпочтительно для зеленых (джифорс)
SSAO — самый легкий для железа режим (не важно, красные или зеленые)
***********************************
