Light Pre Pass 이야기

1. Lighting In Screen Space
(Light Pre-Pass)
이민웅

2. 차례

많은 광원을 그리는 방법들



Light Pre-Pass 소개
Light Pre-Pass 구현방법




Deferred Shading
GBuffer
Light Buffer
정리
질문

3. 많은 광원을 그리는 방법들

Deferred Shading / Rendering


Z Pre Pass Rendering


John D. Carmack II, Doom3
Light Pre Pass


Saito & Takahashi 1990
Wolfgang Engel 2008
Inferred Lighting

SIGGRAPH2009 Scott Kircher,Alan Lawrance

4. Z Pre Pass Rendering



존카멕이 처음 개발
Doom3 적용
Depth만을 가지고 Light계산

5. Deferred Shading
굉장히 배치가 간단해지고, 엔진에서 관리가 쉽다

일반적인 그림자 테크닉들과 통합이 쉽다


라이팅을 위한 계산이 “완전한” O(1) 복잡도를 가진다.



오브젝트의 개수와 상관없다
Lighting 계산의 부하가 Scene의 복잡도에 독립적이다.
수많은 작은 동적 라이팅 사용이 가능하다
Killzone 2’s G-Buffer Layout (courtesy of Michal Valient)

6. Deferred Shading

MRT를 이용한 랜더링 (Shader 3.0)
Normals
Specular
Albedo /
Shadow
Depth Buffer
Motion Vec
Deferred
Lighting
Forward
Rendering

7. Deferred Shading 단점


투명 객체를 처리 못함
G-Buffer안에 Material Property들을 저장




G-Buffer의 공간은 매우 제한적 (최대 4장)
모든 Material들에 대해서 아주 유사한 Lighting 공식
이 사용되는 것을 요구
RenderTarget 4장사용으로 메모리양이 큼
Forward Rendering처럼 frame buffer에 직접 렌더링
할 때 자동으로 받는 하드웨어anti-aliasing이 불가능

8. Light Pre Pass

9. Light Pre-Pass

MRT의 지원이 없어도 구현이 가능


기본적으로 2Pass로 랜더링을 이용하기 때문에 하드
웨어 MSAA를 지원


반투명 오브젝트는 2Pass 때 랜더링
Render Target는 한장만 사용


Shader 2.0 환경에서 구현가능 (크게 의미는 없음)
Deferred Shading 과 비교할때 메모리양이 적음
Material 구현에 관하여 더 유연성를 제공

2Pass 때 처리

10. Light Pre-Pass
1Pass
Normals
Depth Buffer
투명 객체
Light Buffer
Forward
Rendering
Forward
Rendering
2Pass

11. Light Pre-Pass 단점

Deferred Shading 의 경우, 랜더는 최저 1회로 끝



MRT를 사용해 G-Buffer 에 랜더
Light Pre-Pass 는 기본적으로 2Pass 랜더
여러 개의 light에 대해서 specular 항을 계산할 때의
문제점 (GameDev.net)

Specular값을 텍스쳐 한장으로 담아야 하기 때문에…

12. Light Pre-Pass 적용 사례
S.T.A.L.K.E.R: Clear Skies

13. Light Pre-Pass 적용 사례
BlurTM in-game screenshot

14. Light Pre-Pass 적용 사례
UnchartedTM in-game screenshot

15. Light Pre Pass 구현 방법

16. G Buffer (1Pass)


Depth + Normal 추출
NORMAL압축하여 뽑음





Normal 압축함으로 퀄리티 향상도 할 수 있음
RG : normal
B : Depth
A : Alpha Test
A16FR16FG16FB16 포멧 사용

17. G Buffer (1Pass)
Gbuffer_VS
{
float4 position = float4( vertex.position , 1.0f );
Out.PosClip
= mul(position, WORLDVIEWPROJ);
Out.PosView
= mul(position, WORLDVIEW);
float3 N
= vertex.normal;
float3 T = vertex.tangent.xyz;
float3 B = cross(N,T) * vertex.tangent.w;
Out.TangentToView1 = mul( T, (float3x3)WORLDVIEW );
Out.TangentToView2 = mul( B, (float3x3)WORLDVIEW );
Out.TangentToView3 = mul( N, (float3x3)WORLDVIEW );
}

18. G Buffer (1Pass)
Gbuffer_PS
{
float4 texcolor
float depth
= tex2D( diffuseSampler , Input.TexCoords.xy );
= Input.PosView.z / CAMERAFAR;
float3 tangentSpaceNormal.xyz = tex2D( bumpSampler, Input.TexCoords.xy ).xyz * 2 - 1;
float3x3 mtxRot;
mtxRot[0] = normalize( Input.TangentToView1 );
mtxRot[1] = normalize( Input.TangentToView2 );
mtxRot[2] = normalize( Input.TangentToView3 );
tangentSpaceNormal = normalize( mul( tangentSpaceNormal, mtxRot ) );
float4 packColor = PackDepthNormal(depth, tangentSpaceNormal);
packColor.a = texcolor.a;
return packColor;
}

19. Compact Normal Storage

store X&Y, reconstruct Z
half4 encode (half3 n, float3 view)
{
return half4(n.xy*0.5+0.5,0,0);
}
half3 decode (half2 enc, float3 view)
{
half3 n;
n.xy = enc*2-1;
n.z = sqrt(1-dot(n.xy, n.xy));
return n;
}
Compact Normal Storage for small G-Buffers http://aras-p.info/texts/CompactNormalStorage.html

20. Compact Normal Storage

Spheremap Transform
half2 encode (half3 n, float3 view)
{
half f = sqrt(8*n.z+8);
return n.xy / f + 0.5;
}
half3 decode (half4 enc, float3 view)
{
half2 fenc = enc*4-2;
half f = dot(fenc,fenc);
half g = sqrt(1-f/4);
half3 n;
n.xy = fenc*g;
n.z = 1-f/2; return n;
}
Compact Normal Storage for small G-Buffers http://aras-p.info/texts/CompactNormalStorage.html

21. Gbuffer(Depth)

22. Gbuffer(Normal)

23. Light Buffer Pass



Screen Space에서 Gbuffer을 이용하여 Light를 계산
Light계산시 Light방향을 ViewSpace로 변환하여 계산
Depth로 위치를 뽑아서 Speculer을 계산



Point Light도 계산함
그림자도 Light계산시 같이 할 수 있음
A16FR16FG16FB16F 포멧으로 설정
Light buffer layout
R : LightColor.r * N.L * Att
G : LightColor.g * N.L * Att
B : LightColor.b * N.L * Att
A : R.V^n * N.L * Att (Speculer)

24. Light Buffer Pass

라이트버퍼 계산시 머트리얼 계산법

미리 계산해 놓으면 2Pass 때 빠르게 랜더링 할수 있
음

머트리얼을 미리 계산할시 랜더타겟 한장이 더 필요

25. Light Buffer Pass
Speculer Color 있음
Speculer Color 없음
CryEngine 3

26. 깊이 버퍼로부터 위치 계산
•
•
픽셀의 실제 위치를 얻어낼 시 depth buffer를 이용하여 만듬
픽셀의 카메라 스페이스 상 위치를 얻어오는 일반적인 방법은
Inverse Projection matrix를 곱해주는 것
 Depth 저장시 WVP 변환 결과의 z/w값을 기입 하는 것이 아니고
WV 변환 결과의 Z만 저장 하여 Linear한 것으로 만들어 줌





floating 포맷이 아니라면 Zfar로 나누면 될 듯
좌상,우상,좌하,우하의 far clip 방향 ray
VS에 프러스텀의 정보를 넘겨줌
PS에서는 해당 좌표에 받은 ray(보간 되어 옴)정보를 기반으로
깊이와 곱하여 최종 위치를 구함
SSAO , Motion blur(depth based), DOF
FrustumCorner = Vector3(0,0,Far)
FrustumCorner.y = tan( FOV / 2 ) * Far
FrustumCorner.x = FrustumCorner.y * Aspect

27. Light Buffer Pass
pos_vs {
Out.Position = Input.Position;
Out.TexCoords = Input.TexCoords.xy;
Out.View = float3(FRUSTUMCORNER.x * Input.Position.x,
FRUSTUMCORNER.y * Input.Position.y, FRUSTUMCORNER.z);
}
directional_ps {
float fvDepth;
float3 fvViewSpaceNormal;
UnpackDepthNormal( normalDepthSampler , In.TexCoords, fvDepth, fvViewSpaceNormal );
float3
fvViewSpacePos = fvDepth * In.View;
float diffuseLight = saturate( dot( fvViewSpaceNormal, DIRLIGHT) + AMBIENT;
float3
eyeVec
= -normalize( fvViewSpacePos );
float3
halfVec
= normalize( eyeVec + DIRLIGHT );
float
specular
= pow( saturate( dot( fvViewSpaceNormal, halfVec) SHININESS )
return float4(diffuseLight , specular * NdotL);
}

28. Light Buffer( Light )

29. Light Buffer( Speculer )

30. 라이트의 퀄리티를 높혀보자(팁?)

Ambient Cube ( Valve‟s )





구현이 매우 간단함
적은 계산량으로 간접 조명을 보여줄 수 있음
각 점마다 6개의 irradiance 값을 미리 계산해서 배치
 디자이너가 Cube의 6개 색을 미리 지정
주인공 캐릭터들은 가장 가까운 점을 얻어와서
간접조명(indirect illumination)으로 사용
Shading in Valve's Source Engine 참조
float3 AmbientLight( const float3 worldNormal )
{
float3 nSquared = worldNormal * worldNormal;
int3 isNegative = ( worldNormal < 0.0 );
float3 linearColor;
linearColor = nSquared.x * cAmbientCube[isNegative.x] +
nSquared.y * cAmbientCube[isNegative.y+2] +
nSquared.z * cAmbientCube[isNegative.z+4];
return linearColor;
}

31. Light Buffer( Light + AmbientCube)

32. Light Buffer( Light )
Ambient Cube 사용
Ambient만 사용

33. 2Pass

Pass때 미리 찍어둔 ZBuffer를 이용하여 ZCull(EalryZ)
을 사용하여 랜더


z-culling은 깊이에 기반하여 미리 픽셀을 배제하는 것
Render depth only, 1Pass


Render with full shaders, 2Pass



Early-Z (and Z-Cull)
ZWRITEENABLE = FALSE, ZFUNC = EQUAL
Diffuse와 누적된 라이트텍스쳐를 계산


ZWRITEENABLE = TRUE, ZFUNC = LESSEQUAL
Diffuse * LightBuffer
투명 객체 랜더

34. Light Pre Pass 정리

Gbuffer Pass ( 1Pass )


Light Pass


Accumulate Light Info
2Pass


불투명 객체들에 대해서, view normal과 view depth 를 저
장
Diffuse * LightBuffer
투명 객체 랜더링

35. Light-Pre-Pass Final

36. 정리
수많은 동적 라이팅을 화면상의 오브젝트의 개수와 관
계없이 상수시간에 처리가 가능함
이론상 무한개의 동적 라이팅 사용 가능
어두운 실내나, 어두운 배경에 실시간 라이팅이 많은 경
우 최적의 해결 방법
현재의 그래픽 카드에서는 당연히 지원됨유명 상용 엔
진에서는 기본적으로 지원됨
직접 구현 해도, 개념이 어렵지 않고, 관리가 쉬움
셀프 셰도우등 그림자 기법이 용이함
포스트 프로세싱(DOF, SSAO, HDR등)을 사용시









G-Buffer 재사용 가능함
콘솔게임은 이미 많은 게임들이 사용되고 있음.

37. References
[Hargreaves] Shawn Hargreaves, “Deferred Shading”, http://www.talula.demon.co.uk/DeferredShading.pdf
[Lobanchikov] Igor A. Lobanchikov, “ GSC Game World„s S.T.A.L.K.E.R : Clear Sky – a showcase for Direct3D 10.0/1”,
http://developer.amd.com/gpu_assets/01GDC09AD3DDStalkerClearSky210309.ppt
[Mittring] Martin Mittring, “A bit more Deferred – Cry Engine 3”, http://www.slideshare.net/guest11b095/a-bit-more-deferred-cryengine3
[Lee] Mark Lee, “Resistance 2 Prelighting”, http://www.insomniacgames.com/tech/articles/0409/files/GDC09_Lee_Prelighting.pdf
[Lengyel] Eric Lengyel, “Advanced Light and Shadow Culling Methods”, http://www.terathon.com/lengyel/#slides
[Placeres] Frank Puig Placeres, “Overcoming Deferred Shading Drawbacks,” pp. 115 – 130, ShaderX5
[Shishkovtsov] Oles Shishkovtsov, “Making some use out of hardware multisampling”; http://olesrants.blogspot.com/2008/08/making-some-use-out-of-hardware.html
[Swoboda] Matt Swoboda, “Deferred Lighting and Post Processing on PLAYSTATION®3, http://research.scee.net/presentations
[Tovey] Steven J. Tovey, Stephen McAuley, “Parallelized Light Pre-Pass Rendering with
the Cell Broadband EngineTM”, to appear in GPU Pro
[Thibieroz04] Nick Thibieroz, “Deferred Shading with Multiple-Render-Targets,” pp. 251 – 269, ShaderX2
[Thibieroz] Nick Thibieroz, “Deferred Shading with Multisampling Anti-Aliasing in DirectX 10” , ShaderX7
[Valient] Michael Valient, “Deferred Rendering in Killzone 2,” www.guerillagames.com/publications/dr_kz2_rsx_dev07.pdf
[Wolfgang Engel] Wolfgang Engel, Light Pre-Pass Deferred Lighting: Latest Development- August 3rd, 2009
[김대일] 웹젠 Rendering C9 kgc2009
[이창희] Kasa Light-Pre-Pass 2009-07-04
[박민근] 네이버 초중급 게임 개발자 스터디 [데브루키] Deferred Shading (지연 세이딩)
[오즈라엘님 블로그] http://ozlael.egloos.com/2374651
[오즈라엘님 블로그] http://ozlael.egloos.com/2876211
Z-culling http://codevania.springnote.com/pages/3936893.xhtml
Compact Normal Storage for small G-Buffers http://aras-p.info/texts/CompactNormalStorage.html