Sombreado diferido

En el campo de los gráficos por computadora 3D , el sombreado diferido es una técnica de sombreado en el espacio de la pantalla que se realiza en una segunda pasada de renderizado , después de que se renderizan los sombreadores de vértices y píxeles. ^{[ 2 ]} Fue sugerido por primera vez por Michael Deering en 1988. ^{[ 3 ]}

En la primera pasada de un sombreador diferido, solo se recopilan los datos necesarios para el cálculo del sombreado. Las posiciones, normales y materiales de cada superficie se renderizan en el búfer de geometría ( G-buffer ) mediante la función " renderizar a textura ". Posteriormente, un sombreador de píxeles calcula la iluminación directa e indirecta en cada píxel utilizando la información de los búferes de textura en el espacio de la pantalla .

La oclusión direccional en el espacio de la pantalla ^{[ 4 ]} puede formar parte del pipeline de sombreado diferido para dar direccionalidad a las sombras y las interreflexiones.

La principal ventaja del sombreado diferido es la separación entre la geometría de la escena y la iluminación. Solo se requiere un paso de geometría, y cada luz se calcula únicamente para los píxeles que realmente afecta. Esto permite renderizar muchas luces en una escena sin una pérdida significativa de rendimiento. ^{[ 5 ]} Existen otras ventajas que se atribuyen a este enfoque. Entre ellas se incluyen una gestión más sencilla de los recursos de iluminación complejos, una gestión más fácil de otros recursos de sombreado complejos y la simplificación del proceso de renderizado por software.

Una desventaja clave del renderizado diferido es la incapacidad de manejar la transparencia dentro del algoritmo, aunque este problema es genérico en escenas con búfer Z y tiende a ser manejado retrasando y ordenando el renderizado de partes transparentes de la escena. ^{[ 6 ]} El pelado de profundidad puede usarse para lograr transparencia independiente del orden en el renderizado diferido, pero a costa de lotes adicionales y tamaño de búfer g. El hardware moderno, compatible con DirectX 10 y posterior, suele ser capaz de realizar lotes lo suficientemente rápido como para mantener velocidades de fotogramas interactivas. Cuando se desea transparencia independiente del orden (comúnmente para aplicaciones de consumo) el sombreado diferido no es menos efectivo que el sombreado directo usando la misma técnica.

Otra desventaja importante es la dificultad para utilizar múltiples materiales. Si bien es posible usar muchos materiales diferentes, esto requiere almacenar más datos en el búfer G, que ya es bastante grande y consume una gran cantidad de ancho de banda de memoria. ^{[ 7 ]}

Una desventaja más es que, debido a la separación de la etapa de iluminación de la etapa geométrica, el antialiasing por hardware ya no produce resultados correctos, ya que las submuestras interpoladas darían como resultado atributos de posición, normal y tangente sin sentido. Una de las técnicas habituales para superar esta limitación es usar la detección de bordes en la imagen final y luego aplicar desenfoque sobre los bordes, ^{[ 8 ]} sin embargo, recientemente se han desarrollado técnicas de suavizado de bordes de posprocesamiento más avanzadas, como MLAA ^{[ 9 ] [ 10 ]} (utilizado en Killzone 3 y Dragon Age II , entre otros), FXAA ^{[ 11 ]} (utilizado en Crysis 2 , FEAR 3 , Duke Nukem Forever ), SRAA , ^{[ 12 ]} DLAA ^{[ 13 ]} (utilizado en Star Wars: The Force Unleashed II ) y post MSAA (utilizado en Crysis 2 como solución de antialiasing predeterminada). Aunque no es una técnica de suavizado de bordes, el antialiasing temporal (utilizado en Halo: Reach y Unreal Engine ) también puede ayudar a dar a los bordes una apariencia más suave. ^{[ 14 ]} DirectX 10 introdujo características que permiten a los sombreadores acceder a muestras individuales en objetivos de renderizado multimuestreados (y búferes de profundidad en la versión 10.1), lo que da a los usuarios de esta API acceso al antialiasing por hardware en sombreado diferido. Estas características también les permiten aplicar correctamente el mapeo de luminancia HDR a los bordes con antialiasing, donde en versiones anteriores de la API cualquier beneficio del antialiasing podría haberse perdido.

El uso de esta técnica ha aumentado en los videojuegos debido al control que permite en cuanto al uso de una gran cantidad de luces dinámicas y a la reducción de la complejidad de las instrucciones de sombreado necesarias. Algunos ejemplos de juegos que utilizan iluminación diferida son:

En comparación con la iluminación diferida, esta técnica no es muy popular debido a los altos requisitos de memoria y ancho de banda, especialmente en las consolas de séptima generación, donde el tamaño de la memoria gráfica y el ancho de banda son limitados y a menudo constituyen cuellos de botella.

• Raylib ^{[ 55 ]}
• Motor de rayos X

La idea del sombreado diferido fue introducida originalmente por Michael Deering y sus colegas en un artículo ^{[ 3 ]} publicado en 1988 titulado " El procesador de triángulos y el sombreador vectorial normal: un sistema VLSI para gráficos de alto rendimiento ". Aunque el artículo nunca usa la palabra "diferido", introduce un concepto clave: cada píxel se sombrea solo una vez después de la resolución de profundidad. El sombreado diferido tal como lo conocemos hoy, usando búferes G, fue introducido en un artículo de Saito y Takahashi en 1990, ^{[ 56 ]} aunque ellos tampoco usan la palabra "diferido". El primer videojuego con sombreado diferido fue Shrek , un título de lanzamiento de Xbox lanzado en 2001. ^{[ 57 ]} Alrededor de 2004, comenzaron a aparecer implementaciones en hardware gráfico comercial. ^{[ 58 ]} La técnica luego ganó popularidad para aplicaciones como videojuegos , finalmente convirtiéndose en algo común entre 2008 y 2010. ^{[ 59 ]}