Дорабатывая шейдер для готовящейся к выходу игры, я столкнулся с неприятным артефактом, который проявляется только при включении аппаратного MSAA. На скриншоте ландшафта видно несколько чересчур ярких пикселей. Значения цвета в нескольких из них было настолько велико, что после наложения блума они превратились в разноцветных «призраков».
Предлагаю вашему вниманию перевод статьи, которая детально объясняет причину этого феномена и способ борьбы с ним.
Рисунок 1 — Корректное (слева) и некорректное (справа) изображения. Обратите внимание на жёлтую полосу у левого края «некорректного» изображения. Хотя переменная myMixer изменяется от 0 до 1, каким то образом она выходит за пределы этого диапазона на «некорректном» изображении.
Рассмотрим простой фрагментный шейдер с простым нелинейным преобразованием:
smooth in float myMixer;
// Интерполируем цвет между синим и жёлтым.
// Используем sqrt для более вычурного эффекта.
void main( void )
{
const vec3 blue = vec3( 0.0, 0.0, 1.0 );
const vec3 yellow = vec3( 1.0, 1.0, 0.0 );
float a = sqrt( myMixer ); // не определено при myMixer < 0.0
vec3 color = mix( blue, yellow, a ); // нелинейная интерполяция
gl_FragColor = vec4( color, 1.0 );
}
Откуда взялась жёлтая полоса слева на некорректном изображении? Чтобы лучше понимать что пошло не так, давайте сначала рассмотрим случай, в котором все работает правильно (почти) всегда.
Это классическая растеризация с одной выборкой. Серые квадраты представляют собой пиксели, а жёлтые точки — центры пикселей, расположенные в полуцелых оконных координатах (по умолчанию координаты левого нижнего пикселя в gl_FragCoord равны (0.5, 0.5) — перев.).
На картинке выше секущая линия отделяет полупространство примитива. Выше и левее этой линии переменная myMixer положительна, а ниже и правее — отрицательна.
Классическая одновыборочная растеризация классифицирует пиксели по принадлежности к примитиву, и создаёт фрагменты только для пикселей, центры которых лежат внутри примитива. В этом примере будет произведено шесть фрагментов, показанных вверху слева. Пиксели, отмеченные приглушённым цветом, не попадают в примитив. Для них не будут сгенерированы фрагменты.
Зелёным отмечены точки, в которых будет вычисляться фрагментный шейдер. Значение myMixer будет вычислено для центра каждого пикселя. Обратите внимание, что зелёные точки находятся выше и левее линии, поэтому значения myMixer в них будут положительными. Все входные данные, ассоциированные с вершинами (varying или in/out-переменные), так же будут интерполированы в этих точках.
Наш простой шейдер не использует производные (явные или неявные, например при выборке из текстуры с mip-уровнями), однако стрелками отемечены производные dFdx (горизонтальная) и dFdy (вертикальная). Внутри примитива они достаточно хорошо определены и регулярны.
Подведём итог: при одиночной выборке фрагменты генерируются только если центр пикселя попадает «внутрь» примитива, данные фрагмента вычисляются для центра пикселя, интерполяция вершинных данных и вычисление шейдера выполняются только внутри примитива. Всё хорошо и «корректно». (Почти всегда. Пока опустим неточности некоторых производных на пикселях вдоль границы примитива).
Итак, все (почти) отлично при растеризации с одной выборкой. Но что может пойти не так при включении мультисемплинга?
Это классическая растеризация с мультисемплингом. Серыми квадратами обозначены пиксели. Жёлтые точки — центры пикселей в полуцелых координатах. В синих точках происходит выборка. В этом примере показана простая схема из двух выборок с поворотом. Все рассуждения можно обобщить для произвольного количества выборок.
Линия по-прежнему отделяет полупространство примитива. Выше и левее неё значение myMixer положительно. Ниже и правее — отрицательно.
При растеризации с мультисемплингом классификатор пикселей сгенерирует фрагмент, если хотя бы один семпл пикселя попадает внутрь примитива.
В этом примере будет сгенерировано 10 фрагментов, показанных в верхней левой полуплоскости. Обратите внимание на добавившиеся четыре фрагмента вдоль грани, у которых одна выборка попадает внутрь примитива, хотя центр находится снаружи. Пиксели вне примитива по-прежнему отмечены тусклым.
Что будет при вычислении в центре пикселя?
Шейдер будет вычислен в зелёных и красных точках для каждого из фрагментов. Ассоциированные данные myMixer вычисляются в центре каждого пикселя. В зелёных точках эти значения будут положительными, так как они выше и левее границы. Красные точки находятся вне примитива, потому значения myMixer в них отрицательны. В красных точках ассоциированные данные экстраполируются вместо интерполирования.
В нашем шейдере значения sqrt(myMixer) не определены при отрицательном myMixer. Даже когда значения myMixer, записанные вершинным шейдером, лежат в отрезке от нуля до единицы, во фрагментом шейдере myMixer может выходит за этот отрезок из-за экстраполяции. Таким образом, при отрицательном myMixer результат работы фрагментного шейдера не определён.
Мы по-прежнему рассматриваем вычисление шейдера в центрах пикселей, стрелки на рисунке показывают dFdx и dFdy. На внутренних фрагментах полигона они достаточно хорошо определены потому что все вычисления делаются в центрах пикселей, расположенных через равные промежутки.
Что будет при вычислении в точках, отличных от центров пикселей?
Зелёными отмечены точки, в которых будет вычислен шейдер. Ассоциированное значение myMixer вычисляется в центроиде каждого пикселя.
Центроид пикселя — это центр тяжести пересечения квадрата пикселя и внутренности примитива. Для полностью покрытого пикселя центроид совпадает с центром. Для частично покрытого пикселя центроид как правило отличается от центра.
Стандарт OpenGL позволяет реализации выбрать произвольную точку в пересечении примитива и пикселя вместо идеального центроида. Например, это может быть точка выборки.
В этом примере, если центр лежит внутри примитива, данные вершин вычисляются для центра. В противном случае они вычисляются в любой из точек выборки, лежащей внутри примитива. Так происходит для четырёх пикселей вдоль границы. Все зелёные точки лежат выше и левее границы, поэтому значения в них всегда интерполируются и никогда не экстраполируются.
Почему бы не вычислять шейдер в центроиде всегда? В общем случае, это дороже, чем вычисление в центре. Однако, это не главный фактор.
Всё дело в вычислении производных. Обратите внимание на стрелки между зелёными точками. Расстояние ними не одинаково для различных пар точек. Кроме того, y не является константой для dFdx, а x не постоянна для dFdy. Производные менее точны при вычислении в центроидах.
Это компромисс, а потому OpenGL, начиная с GLSL 1.20, предлагает разработчику шейдера выбор между центром и центроидом с помощью квалификатора centroid:
centroid in float myMixer; // Используем centroid вместо smooth
// Интерполируем цвет между синим и жёлтым.
// Используем sqrt для более вычурного эффекта.
void main( void )
{
const vec3 blue = vec3( 0.0, 0.0, 1.0 );
const vec3 yellow = vec3( 1.0, 1.0, 0.0 );
float a = sqrt( myMixer ); // не определено при myMixer < 0.0
vec3 color = mix( blue, yellow, a ); // нелинейная интерполяция
gl_FragColor = vec4( color, 1.0 );
}
Когда следует использовать centroid?
- Когда экстраполированное значение может привести к неопределённым результатам. Обращайте особое внимание на встроенные функции, в описании которых сказано «результат не определён, если...»
- Когда экстраполированное значение используется с очень нелинейной или имеющей разрыв функцией. К таковым относится функция step или вычисление блика, особенно когда показатель степени достаточно большой.
Когда не следует использовать центроид?
- Если нужны точные производные. Производные могут быть как явными (вызов dFdx), так и неявными, например выборки из текстур с mip-уровнями или с анизотропной фильтрацией. В спецификации GLSL производные в центроидах считаются настолько негодными, что они были объявлены неопределёнными. В таких случаях старайтесь писать:
centroid in float myMixer; // Опасайтесь производных! smooth in float myCenterMixer; // С производными всё в порядке. - Если рендерится сетка, в которой большинство границ примитивов являются внутренними и всегда хорошо определены. Простейший пример — полоса из 100 треугольников (TRIANGLE_STRIP), в которой только первый и последний треугольник подвержены экстраполяции. Квалификатор centroid приведёт к интерполяции на этих двух треугольниках ценой потери точности и непрерывности на остальных 98 треугольниках.
- Если вы знаете, что могут появиться артефакты от неопределённой, нелинейной или разрывной функции, но на практике эти артефакты получаются почти невидимыми. Если шейдер не атакует — не исправляйте его!
Автор: Сергей
