Ana içeriğe geç

Ekran Uzayı Ortam Tıkanması (Screen Space Ambient Occlusion - SSAO)

Temel aydınlatmada ortam ışığını (Ambient) sahnenin her yerine eşit dağılan sabit bir renk (ambient = 0.1 * color) olarak aldık. Ancak gerçek dünyada duvar dipleri, masa altları, boru kıvrımları ve köşe çatlakları ortam ışığını daha az alır ve buralarda yumuşak temas gölgeleri oluşur.

Crytek tarafından Crysis (2007) oyunu için geliştirilen SSAO, sahne geometrisine ihtiyaç duymadan, yalnızca ekran tamponundaki derinlik ve normalleri kullanarak bu gölgeleri gerçek zamanlı hesaplar!

SSAO Nasıl Çalışır?

Her pikselin etrafında, yüzey normali yönünde sanal bir yarıküre (hemisphere) oluştururuz ve bu yarıküre içine rastgele \(N\) adet örnek nokta (sample kernel) serperiz:

SSAO Örnekleme Yarıküresi

  1. Her bir örnek noktanın derinliğini, o noktaya denk gelen yüzeyin derinlik tamponundaki değeriyle karşılaştırırız.
  2. Eğer örnek noktası yüzeyin arkasında/altında kalıyorsa, o yön kapalıdır (tıkanmıştır).
  3. Yarıküredeki kapalı örneklerin toplam sayısına göre bir Tıkanma Faktörü (Occlusion Factor - \([0.0, 1.0]\)) hesaplanır.

64 Noktalı Örnekleme Çekirdeği (C++)

Örnek noktaların yüzeye yakın kısımlarda daha yoğun olması için karesel bir dağılım kullanırız:

SSAO Çekirdeği Oluşturma
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
std::vector<glm::vec3> ssaoKernel;
for (unsigned int i = 0; i < 64; ++i)
{
    glm::vec3 sample(
        randomFloats(generator) * 2.0 - 1.0,
        randomFloats(generator) * 2.0 - 1.0,
        randomFloats(generator) // Yalnızca normal yönünde pozitif Z
    );
    sample = glm::normalize(sample);
    sample *= randomFloats(generator);

    // Merkeze yakınlığı artıran ölçekleme
    float scale = float(i) / 64.0;
    scale = lerp(0.1f, 1.0f, scale * scale);
    sample *= scale;
    ssaoKernel.push_back(sample);
}

Örneklerin düzenli yapay çizgiler oluşturmasını engellemek için \(4 \times 4\) boyutunda rastgele yön vektörleri içeren küçük bir gürültü dokusu (noise texture) ile çekirdeği rastgele döndürürüz.

SSAO Fragment Shader'ı

ssao.frag
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
#version 330 core
out float FragColor;
in vec2 TexCoords;

uniform sampler2D gPosition;
uniform sampler2D gNormal;
uniform sampler2D texNoise;

uniform vec3 samples[64];
uniform mat4 projection;

const vec2 noiseScale = vec2(800.0/4.0, 600.0/4.0); 

void main()
{
    vec3 fragPos = texture(gPosition, TexCoords).xyz;
    vec3 normal = normalize(texture(gNormal, TexCoords).rgb);
    vec3 randomVec = normalize(texture(texNoise, TexCoords * noiseScale).xyz);

    // Teğet uzay oluştur (Gram-Schmidt)
    vec3 tangent = normalize(randomVec - normal * dot(randomVec, normal));
    vec3 bitangent = cross(normal, tangent);
    mat3 TBN = mat3(tangent, bitangent, normal);

    float occlusion = 0.0;
    for(int i = 0; i < 64; ++i)
    {
        // Örnek noktasını dünya/görüş uzayına al
        vec3 samplePos = TBN * samples[i]; 
        samplePos = fragPos + samplePos * 0.5; // 0.5 yarıçap

        // Ekran koordinatlarına projekte et
        vec4 offset = vec4(samplePos, 1.0);
        offset = projection * offset;
        offset.xyz /= offset.w;
        offset.xyz = offset.xyz * 0.5 + 0.5;

        float sampleDepth = texture(gPosition, offset.xy).z;

        // Aralık kontrolü ve tıkanma hesabı
        float rangeCheck = smoothstep(0.0, 1.0, 0.5 / abs(fragPos.z - sampleDepth));
        occlusion += (sampleDepth >= samplePos.z + 0.025 ? 1.0 : 0.0) * rangeCheck;           
    }
    occlusion = 1.0 - (occlusion / 64.0);
    FragColor = occlusion;
}

Son adımda oluşan gürültüyü gidermek için \(4 \times 4\) basit bir bulanıklık (blur) filtresi uygulanır. Ortam aydınlatmasını bu faktörle çarptığınızda (ambient * ssao), sahnedeki tüm nesnelerin köşe ve çatlakları adeta hayat bulur!