隠面判定

3D コンピュータ グラフィックスにおいて、隠面判定(表示面判定、隠面除去( HSR ) 、オクルージョン カリング( OC ) 、可視面判定( VSD ) とも呼ばれる ) は、特定の視野角からどの表面および表面の一部が見えるかを識別するプロセスです。 隠面判定アルゴリズムは、 3D コンピュータ グラフィックスの分野で最初に大きな問題となった可視性問題に対する解決策です。 ^[要出典]隠面判定のプロセスは隠蔽と呼ばれることもあり、このようなアルゴリズムは ハイダー と呼ばれることもあります。 [^要出典]線のレンダリングについては、隠線除去と呼ばれます。^[要出典]隠面判定は、モデル自体の背後に隠れた特徴が見えないようにし、グラフィックスの自然に見える部分だけが見えるように、シーンを正しくレンダリングするために必要です。

隠面判定は、ユーザーに見えるべきではない面（たとえば、壁などの不透明なオブジェクトの背後にあるため）がレンダリングされないようにするプロセスです。ハードウェア機能が進歩したにもかかわらず、高度なレンダリング アルゴリズムが依然として必要とされています。レンダリング エンジンの役割は、広大なワールド空間を可能にすることです。ワールドのサイズが無限に近づいても、エンジンは速度を落とさず、一定の速度を維持する必要があります。このプロセスを最適化するには、ユーザーに表示されないサーフェスのレンダリングにできるだけ少ないリソースを割り当てることができるかどうかにかかっています。

隠面の判定には多くの手法があります。これらは基本的にソートの演習であり、ソートを実行する順序や問題をどのように細分化するかによって異なります。大量のグラフィックス プリミティブのソートは、通常、分割統治法によって行われます。

レンダリング パイプラインを考慮すると、投影、クリッピング、およびラスタライズの手順は、次のアルゴリズムによって異なる方法で処理されます。

Zバッファリング

ラスタライズ中に、各ピクセル (アンチエイリアシングの場合はサンプルですが、一般性を失うことなくピクセルという用語が使用されます)の深度/Z 値が、既存の深度値に対してチェックされます。現在のピクセルが Z バッファ内のピクセルの背後にある場合、そのピクセルは拒否され、そうでない場合はシェーディングされ、その深度値が Z バッファ内の深度値に置き換えられます。Z バッファリングは動的なシーンを簡単にサポートし、現在グラフィックス ハードウェアに効率的に実装されています。これが現在の標準です。Z バッファリングを使用するコストは、ピクセルごとに最大 4 バイトを使用することと、ラスタライズ アルゴリズムがラスタライズされた各サンプルを Z​​ バッファに対してチェックする必要があることです。Z バッファは、精度エラー ( Z ファイティングとも呼ばれます) によるアーティファクトの影響を受けることもあります。

カバレッジバッファ（Cバッファ）とサーフェスバッファ（ Sバッファ）

Z バッファよりも高速で、 Quake I時代のゲームでよく使われていました。ピクセルごとに Z 値を保存する代わりに、画面の行ごとに既に表示されているセグメントのリストを保存します。新しいポリゴンは、既に表示されているセグメントに切り取られ、それらのセグメントがポリゴンを隠すことになります。S バッファはソートされていないポリゴンを表示できますが、C バッファではポリゴンを最も近いものから最も遠いものまで表示する必要があります。C バッファ手法ではピクセルを複数回描画する必要がないため、処理が若干高速になります。これは、ポリゴンのソートを提供するバイナリ空間分割(BSP) ツリーでよく使用されていました。

ソートされたアクティブエッジリスト

Quake 1 で使用されていたこのバッファは、既に表示されているポリゴンのエッジのリストを保存していました (スキャンライン レンダリングを参照)。ポリゴンは、最も近いものから最も遠いものまで表示されます。新しいポリゴンは、既に表示されているポリゴンのエッジに対してクリップされ、表示する新しいポリゴンが作成され、追加のエッジが保存されます。S/C/Z バッファよりも実装がはるかに困難ですが、解像度が上がるにつれてスケーリングがはるかに良くなります。

画家のアルゴリズム

ポリゴンを重心でソートし、後ろから前に描画します。これは、同様のサイズのポリゴンが滑らかなメッシュを形成し、バックフェース カリングがオンになっているシーンに適用すると、アーティファクトがほとんど発生しません。ここでのコストは、ソート手順と視覚的なアーティファクトが発生する可能性があることです。このアルゴリズムは、相互に交差するサーフェスなど、さまざまな一般的な構成のポリゴンを処理できないため、一般的なシーンでは設計上不適切です。

バイナリ空間分割(BSP)

ポリゴン境界に対応する平面に沿ってシーンを分割します。サブディビジョンは、BSP ツリーをトラバースするときにシーン内の任意のポイントから明確な深度順序を提供するような方法で構築されます。ここでの欠点は、BSP ツリーが高価な前処理で作成されることです。つまり、動的なジオメトリで構成されるシーンにはあまり適していません。利点は、データが事前にソートされ、エラーがなく、前述のアルゴリズムに使用できることです。BSP は HSR のソリューションではなく、補助にすぎないことに注意してください。

レイトレーシング

視点からシーンへの光線をトレースすることで、視点への光線のパスをモデル化しようとします。これは、隠面除去アルゴリズムそのものではありませんが、各ビュー光線に沿って最も近いサーフェスを見つけることで、暗黙的に隠面除去問題を解決します。実質的には、すべてのジオメトリをピクセル単位で並べ替えることと同じです。

ウォーノックアルゴリズム

画面を小さな領域に分割し、その領域内の三角形を並べ替えます。あいまいさがある場合 (つまり、ポリゴンがこれらの領域内の深さの範囲で重なり合っている場合)、さらに細分化が行われます。限界に達すると、ピクセル レベルまで細分化が行われる場合があります。

可視面の決定 (VSD) に関連する領域はカリングです。これは通常、レンダリング パイプラインで VSD の前に行われます。プリミティブまたはプリミティブのバッチは、全体として拒否できるため、適切に設計されたシステムの負荷が軽減されます。

パイプラインの早い段階でカリングを行う利点は、非表示のオブジェクト全体をフェッチ、変換、ラスタライズ、またはシェーディングする必要がないことです。カリング アルゴリズムの種類は次のとおりです。

視錐台は、仮想カメラから見えるボリュームの幾何学的表現です。当然、このボリュームの外側にあるオブジェクトは最終画像には表示されないため、破棄されます。多くの場合、オブジェクトは視錐台の境界上にあります。これらのオブジェクトは、クリッピングと呼ばれるプロセスでこの境界に沿って断片に切り分けられ、視錐台の外側にある断片は描画する場所がないため破棄されます。

3D オブジェクトでは、オブジェクトの表面の一部はカメラに面しており、残りはカメラから離れた方向、つまりオブジェクトの背面にあり、前面によって妨げられています。オブジェクトが完全に不透明な場合、これらの表面を描画する必要はありません。これらは頂点の巻き順によって決定されます。描画された三角形の頂点がカメラに面しているときに投影面上で時計回りの順序になっている場合、表面がカメラから遠ざかると反時計回りの順序に切り替わります。

ちなみに、視点カメラがオブジェクト内にある場合、オブジェクトのすべての表面がカメラから離れて向き、レンダラーによってカリングされるため、オブジェクトは完全に透明になります。これを防ぐには、オブジェクトを両面に設定するか (つまり、背面カリングを行わない)、別の内部表面を持つ必要があります。

多くの場合、オブジェクトは遠すぎるため、最終的な画像にはあまり影響しません。これらのオブジェクトは、スクリーン投影が小さすぎる場合は破棄されます。「クリッピング プレーン」を参照してください。

他の不透明なオブジェクトの背後に完全に隠れているオブジェクトは、カリングされることがあります。これは、中程度から高い深度の複雑さを持つ大規模なシーンのレンダリングを高速化するための非常に一般的なメカニズムです。オクルージョン カリングのアプローチには、いくつかの種類があります。

• 潜在的に可視なセット( PVS ) レンダリングは、シーンを領域に分割し、それらの可視性を事前計算します。これらの可視性セットは実行時にインデックス化され、複雑な遮蔽物の相互作用を考慮した高品質の可視性セットを迅速に取得します。
• ポータル レンダリングは、シーンをセル/セクター (部屋) とポータル (ドア) に分割し、ポータルに対してセクターをクリッピングして、どのセクターが表示されるかを計算します。

Hansong Zhangの論文「任意のモデルのインタラクティブ表示のための効果的なオクルージョンカリング」^[1]では、オクルージョンカリングのアプローチについて説明しています。

VSD 文献でよく使われるテーマは分割統治です。画面分割の先駆けとなったのはWarnock アルゴリズムです。ビーム トレーシングは、可視ボリュームをビームに分割するレイ トレーシング アプローチです。タイリングや画面空間 BSP クリッピングなど、領域ごとに考慮されるプリミティブの数を減らすさまざまな画面空間サブディビジョン アプローチがあります。タイリングは、他の手法の前処理として使用できます。Z バッファ ハードウェアには通常、粗い「hi-Z」が含まれており、これに対してプリミティブはラスタライズせずに早期に拒否できます。これはオクルージョン カリングの一種です。

バウンディング ボリューム階層(BVH) は、シーンの空間を細分化するためによく使用されます (例として、BSP ツリー、オクトリー、kd ツリーがあります)。これにより、可視性の決定を階層的に実行できます。つまり、ツリー内のノードが非表示であると判断された場合、そのすべての子ノードも非表示となり、それ以上の処理は不要になります (レンダラーによってすべて拒否される可能性があります)。ノードが可視であると判断された場合、その子ノードをそれぞれ評価する必要があります。このトラバーサルは実質的にツリー ウォークであり、非表示/オクルージョンまたはリーフ ノードへの到達によって停止するかどうか、または再帰するかどうかがそれぞれ決定されます。

• クリッピング

• 隠面判定
• 10 個の隠れ面アルゴリズムの特徴 ( Wayback Machineコピー)