Shadow mapping e ray-tracing

Abstract

Shadow mapping has been one of the most used algorithms for real time calculation of shadows, since it is extremely simple and quick in calculating said shadows, but not always presents the best results. On the other hand, ray-tracing presents pixel-perfect shadows, but it is more demanding from a computational point of view. Shadow mapping has seen many proposals to increase its accuracy, while retaining its high performance nature. Some of the methods proposed, based solely on the standard shadow mapping technique, do improve significantly the standard shadow mapping result at the expense of a minor decrease in performance. Other approaches propose hybrid methods, using shadow mapping as a way of limiting the number of pixels that require ray-tracing. One of such approaches uses texel coherence to reduce the number of pixels that require testing. These latter approaches establish the theme for this work. The goal is to narrow down as much as possible the amount of pixels that require a ray-tracer to determine its shadow status. The first step was to identify the location of the errors present in a shadow map. The tests confirmed the intuition that most of these errors should be located in the contours of the shadow areas. The next step focuses on these contour areas and looks for ways to determine the correctness of a pixel’s shadow status. Several methods were proposed to achieve this goal. Some methods were capable of confirming pixels in shadow. Some were capable of correcting pixels in light. Each method, with the exception of texel coherence, uses a very selective ray-tracer, i.e. only very few triangles are tested for intersection with a single light ray. Since each method has its strengths and weaknesses an algorithm was proposed, chaining all these methods together. The first step is to determine the set of pixels in the contours of the shadow areas. Then each method is applied in turn, so that only the pixels the remaining unconfirmed/uncorrected pass on to the next stage. At the end of the algorithm a very large percentage of pixels in shadow were confirmed and a significant number of pixels in light were corrected. The remaining pixels could then be fed to a full ray-tracer. The load of the ray-tracer is severely reduced under this approach making it an affordable solution to obtain pixel perfect shadows in the contours of the shadowed areas.

O shadow mapping tem sido um dos algoritmos mais utilizados para o cálculo de sombras em tempo real, já que é extremamente simples e rápido em calcular estas sombras, mas nem sempre apresenta os melhores resultados. Por outro lado, ray-tracing apresenta sombras perfeitas ao nível do pixel mas é mais exigente de um ponto de vista computacional.

Têm havido muitas propostas para o aumento de qualidade do shadow mapping sem afetar o seu desempenho. Alguns dos métodos propostos, baseados somente na técnica de shadow mapping padrão, de facto melhoram significativamente o resultado do shadow mapping padrão ao custo de uma pequena diminuição no desempenho. Outras abordagens propõem métodos híbridos, usando o shadow mapping para limitar o número de pixéis que requerem ray-tracing. Uma destas abordagens usa o texel coherence para reduzir o número de pixéis que precisam de ser testados.

Estas últimas abordagens estabelecem o tema deste trabalho. O objetivo é limitar o máximo possível a quantidade de pixéis que requerem um ray-tracer para determinar o seu sombreamento.

O primeiro passo foi identificar a localização dos erros presentes num shadow map. Os testes confirmaram a intuição de que a maior parte destes erros se deveriam encontrar nos contornos das zonas sombreadas.

O próximo passo foca-se nestas áreas de contorno e procura maneiras de determinar se o sombreamento de um pixel está correto. Vários métodos foram propostos para conseguir este objetivo. Alguns métodos foram capazes de confirmar pixéis em sombra. Alguns foram capazes de corrigir pixéis em luz.

Cada método, com a exceção do texel coherence, usa um ray-tracer muito seletivo, isto é, apenas uma muito pequena quantidade de triângulos é testada para interseção com cada raio de luz.

Como cada método tem as suas vantagens e desvantagens um algoritmo que encadeia todos estes métodos foi proposto. O primeiro passo é determinar o conjunto de pixéis nos contornos das áreas sombreadas. Depois cada método é aplicado à vez de modo a que os pixéis que se mantêm por confirmar ou corrigir passem para o próximo passo.

No fim do algoritmo uma grande percentagem de pixéis em sombra foi confirmada e um número significativo de pixéis em luz foi corrigido. O resto dos pixéis poderia então passar por um ray-tracer completo. A carga do ray-tracer é severamente reduzida sob esta abordagem tornando-o numa solução acessível à obtenção de sombras perfeitas ao nível do pixel nos contornos das áreas sombreadas.