SSAO

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. 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.

Описание работы

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

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.

Ссылки

Англоязычные источники

• [delivery.acm.org/10.1145/1290000/1281671/p97-mittring.pdf?key1=1281671&key2=9942678811&coll=ACM&dl=ACM&CFID=15151515&CFTOKEN=6184618 Finding Next Gen — CryEngine 2]
• [video.google.com/videoplay?docid=-2592720445119800709&hl=en Video showing SSAO in action]
• [graphics.uni-konstanz.de/publikationen/2006/unsharp_masking/Luft%20et%20al.%20--%20Image%20Enhancement%20by%20Unsharp%20Masking%20the%20Depth%20Buffer.pdf Image Enhancement by Unsharp Masking the Depth Buffer]
• [perumaal.googlepages.com/ Hardware Accelerated Ambient Occlusion Techniques on GPUs]
• [meshula.net/wordpress/?p=145 Overview on Screen Space Ambient Occlusion Techniques]
• [developer.download.nvidia.com/presentations/2008/GDC/GDC08_Ambient_Occlusion.pdf Real-Time Depth Buffer Based Ambient Occlusion]
• [pastebin.ca/953523 Source code of SSAO shader used in Crysis]
• [www.mpi-inf.mpg.de/~ritschel/Papers/SSDO.pdf Approximating Dynamic Global Illumination in Image Space]
• [www.gamedev.net/community/forums/topic.asp?topic_id=527170 Accumulative Screen Space Ambient Occlusion]

Русскоязычные источники

• Боресков Алексей Викторович. [www.steps3d.narod.ru/tutorials/ssao-tutorial.html Screen-Space Ambient Occlusion]. steps3D (2008). Проверено 5 апреля 2009. [www.webcitation.org/66WV1Z5El Архивировано из первоисточника 29 марта 2012].
• Глухарев Алексей Сергеевич. [lwengine.net.ru/article/DirectX_10/ssao_directx10 Screen Space Ambient Occlusion]. The Last World Project (29 декабря 2007 года). Проверено 28 марта 2010. [www.webcitation.org/67m6ywVfS Архивировано из первоисточника 19 мая 2012].

Отрывок, характеризующий SSAO

– Они, ваша светлость, готовясь к завтрашнему дню, к смерти, надели белые рубахи.
– А!.. Чудесный, бесподобный народ! – сказал Кутузов и, закрыв глаза, покачал головой. – Бесподобный народ! – повторил он со вздохом.
– Хотите пороху понюхать? – сказал он Пьеру. – Да, приятный запах. Имею честь быть обожателем супруги вашей, здорова она? Мой привал к вашим услугам. – И, как это часто бывает с старыми людьми, Кутузов стал рассеянно оглядываться, как будто забыв все, что ему нужно было сказать или сделать.
Очевидно, вспомнив то, что он искал, он подманил к себе Андрея Сергеича Кайсарова, брата своего адъютанта.
– Как, как, как стихи то Марина, как стихи, как? Что на Геракова написал: «Будешь в корпусе учитель… Скажи, скажи, – заговорил Кутузов, очевидно, собираясь посмеяться. Кайсаров прочел… Кутузов, улыбаясь, кивал головой в такт стихов.
Когда Пьер отошел от Кутузова, Долохов, подвинувшись к нему, взял его за руку.
– Очень рад встретить вас здесь, граф, – сказал он ему громко и не стесняясь присутствием посторонних, с особенной решительностью и торжественностью. – Накануне дня, в который бог знает кому из нас суждено остаться в живых, я рад случаю сказать вам, что я жалею о тех недоразумениях, которые были между нами, и желал бы, чтобы вы не имели против меня ничего. Прошу вас простить меня.
Пьер, улыбаясь, глядел на Долохова, не зная, что сказать ему. Долохов со слезами, выступившими ему на глаза, обнял и поцеловал Пьера.
Борис что то сказал своему генералу, и граф Бенигсен обратился к Пьеру и предложил ехать с собою вместе по линии.
– Вам это будет интересно, – сказал он.
– Да, очень интересно, – сказал Пьер.
Через полчаса Кутузов уехал в Татаринову, и Бенигсен со свитой, в числе которой был и Пьер, поехал по линии.


Бенигсен от Горок спустился по большой дороге к мосту, на который Пьеру указывал офицер с кургана как на центр позиции и у которого на берегу лежали ряды скошенной, пахнувшей сеном травы. Через мост они проехали в село Бородино, оттуда повернули влево и мимо огромного количества войск и пушек выехали к высокому кургану, на котором копали землю ополченцы. Это был редут, еще не имевший названия, потом получивший название редута Раевского, или курганной батареи.
Пьер не обратил особенного внимания на этот редут. Он не знал, что это место будет для него памятнее всех мест Бородинского поля. Потом они поехали через овраг к Семеновскому, в котором солдаты растаскивали последние бревна изб и овинов. Потом под гору и на гору они проехали вперед через поломанную, выбитую, как градом, рожь, по вновь проложенной артиллерией по колчам пашни дороге на флеши [род укрепления. (Примеч. Л.Н. Толстого.) ], тоже тогда еще копаемые.
Бенигсен остановился на флешах и стал смотреть вперед на (бывший еще вчера нашим) Шевардинский редут, на котором виднелось несколько всадников. Офицеры говорили, что там был Наполеон или Мюрат. И все жадно смотрели на эту кучку всадников. Пьер тоже смотрел туда, стараясь угадать, который из этих чуть видневшихся людей был Наполеон. Наконец всадники съехали с кургана и скрылись.
Бенигсен обратился к подошедшему к нему генералу и стал пояснять все положение наших войск. Пьер слушал слова Бенигсена, напрягая все свои умственные силы к тому, чтоб понять сущность предстоящего сражения, но с огорчением чувствовал, что умственные способности его для этого были недостаточны. Он ничего не понимал. Бенигсен перестал говорить, и заметив фигуру прислушивавшегося Пьера, сказал вдруг, обращаясь к нему:
– Вам, я думаю, неинтересно?
– Ах, напротив, очень интересно, – повторил Пьер не совсем правдиво.
С флеш они поехали еще левее дорогою, вьющеюся по частому, невысокому березовому лесу. В середине этого
леса выскочил перед ними на дорогу коричневый с белыми ногами заяц и, испуганный топотом большого количества лошадей, так растерялся, что долго прыгал по дороге впереди их, возбуждая общее внимание и смех, и, только когда в несколько голосов крикнули на него, бросился в сторону и скрылся в чаще. Проехав версты две по лесу, они выехали на поляну, на которой стояли войска корпуса Тучкова, долженствовавшего защищать левый фланг.
Здесь, на крайнем левом фланге, Бенигсен много и горячо говорил и сделал, как казалось Пьеру, важное в военном отношении распоряжение. Впереди расположения войск Тучкова находилось возвышение. Это возвышение не было занято войсками. Бенигсен громко критиковал эту ошибку, говоря, что было безумно оставить незанятою командующую местностью высоту и поставить войска под нею. Некоторые генералы выражали то же мнение. Один в особенности с воинской горячностью говорил о том, что их поставили тут на убой. Бенигсен приказал своим именем передвинуть войска на высоту.
Распоряжение это на левом фланге еще более заставило Пьера усумниться в его способности понять военное дело. Слушая Бенигсена и генералов, осуждавших положение войск под горою, Пьер вполне понимал их и разделял их мнение; но именно вследствие этого он не мог понять, каким образом мог тот, кто поставил их тут под горою, сделать такую очевидную и грубую ошибку.
Пьер не знал того, что войска эти были поставлены не для защиты позиции, как думал Бенигсен, а были поставлены в скрытое место для засады, то есть для того, чтобы быть незамеченными и вдруг ударить на подвигавшегося неприятеля. Бенигсен не знал этого и передвинул войска вперед по особенным соображениям, не сказав об этом главнокомандующему.


Князь Андрей в этот ясный августовский вечер 25 го числа лежал, облокотившись на руку, в разломанном сарае деревни Князькова, на краю расположения своего полка. В отверстие сломанной стены он смотрел на шедшую вдоль по забору полосу тридцатилетних берез с обрубленными нижними сучьями, на пашню с разбитыми на ней копнами овса и на кустарник, по которому виднелись дымы костров – солдатских кухонь.