スキャンラインレンダリング

スキャンライン レンダリング(スキャン ライン レンダリング、スキャン ライン レンダリングとも呼ばれる) は、 3D コンピュータ グラフィックスにおいて、ポリゴンごとやピクセルごとではなく、行ごとに動作する可視面決定アルゴリズムです。レンダリングされるすべてのポリゴンは、最初に最初に表示される最上位の y 座標でソートされ、次に、スキャンラインとソート済みリストの先頭にあるポリゴンとの交差を使用して、画像の各行またはスキャン ラインが計算されます。一方、アクティブなスキャン ラインが画像の下方に進むにつれて、ソート済みリストは更新され、表示されなくなったポリゴンが破棄されます。

この方法の主な利点は、スキャン面の法線に沿って頂点をソートすることで、エッジ間の比較回数が減ることです。もう 1 つの利点は、すべての頂点の座標をメイン メモリから作業メモリに変換する必要がないことです。現在のスキャン ラインと交差するエッジを定義する頂点のみがアクティブ メモリに存在する必要があり、各頂点は 1 回だけ読み込まれます。メイン メモリは、中央処理装置とキャッシュ メモリ間のリンクに比べて非常に遅い場合が多く、メイン メモリ内の頂点への再アクセスを回避することで、大幅な高速化を実現できます。

この種のアルゴリズムは、フォン反射モデルやZ バッファアルゴリズムなど、他の多くのグラフィックス手法と簡単に統合できます。

通常の方法は、投影されたポリゴンのエッジをスキャンラインごとに 1 つずつバケットに挿入することから開始します。ラスタライザはアクティブ エッジ テーブル ( AET ) を維持します。エントリは、ソート リンク、X 座標、グラデーション、およびそれらがバインドするポリゴンへの参照を維持します。次のスキャンラインをラスタライズするために、不要になったエッジは削除されます。現在のスキャンラインの Y バケットからの新しいエッジが追加され、X 座標でソートされて挿入されます。アクティブ エッジ テーブル エントリは、X およびその他のパラメータ情報が増分されます。アクティブ エッジ テーブル エントリは、X ソート リストで維持され、2 つのエッジが交差するときに変更が反映されます。エッジを更新した後、アクティブ エッジ テーブルは X 順にトラバースされ、表示されるスパンのみが出力されます。これにより、Z ソートのアクティブ スパン テーブルが維持され、エッジが交差するときにサーフェスが挿入および削除されます。^{[引用が必要]}

これとZ バッファリングのハイブリッドにより、アクティブ エッジ テーブルのソートがなくなり、代わりに 1 つのスキャンラインを Z バッファにラスタライズして、1 つのスキャンラインから次のスキャンラインまでのアクティブ ポリゴンの範囲が維持されます。

別のバリエーションでは、ID バッファが中間ステップでラスタライズされ、結果として得られる可視ピクセルの 遅延シェーディングが可能になります。

スキャンラインレンダリング技術の最初の出版は、おそらく1967年にワイリー、ロムニー、エヴァンス、エルダールによって行われたものと思われる。^[1]

スキャンラインレンダリング方式の他の初期の開発は、1969年のブーナイト^[2]と1972年のニューウェル、ニューウェル、サンチャ^[3]によって行われました。 これらの手法に関する初期の研究の多くは、ユタ大学のアイヴァン・サザーランドのグラフィックスグループと、ソルトレイクシティのエヴァンス＆サザーランド社で行われました。

初期の Evans & Sutherland ESIG シリーズの画像処理ジェネレータ (IG) では、ハードウェアでオンザフライ方式を採用し、フレームバッファを使用せずに一度に 1 ラスター ラインずつ画像を生成して、当時の高価なメモリの必要性を省いていました。その後の派生製品ではハイブリッド方式が採用されました。

Nintendo DS は、ラスタライズされた画像を VRAM にキャッシュするオプションを備え、この方法で 3D シーンをレンダリングする最新のハードウェアです。

1980 年代のゲーム機で普及したスプライトハードウェアは、スキャンライン レンダリングの単純な 2D 形式と考えることができます。

この技術は、環境のソフトウェア レンダリング用に最初の Quake エンジンで使用されました (ただし、動くオブジェクトはZ バッファリングされていました)。静的な風景では、優先順位付けにBSP派生のソートが使用されました。これは、コストのかかるピクセル操作 (つまり、ハードウェア アシストなしのパースペクティブ補正テクスチャ マッピング)を伴う、深度が複雑なシーンの処理に、Z バッファ/ペインタータイプのアルゴリズムよりも優れていることが証明されました。この使用は、現在 PC で一般的になっている Z バッファ ベースの GPU が広く採用される前に行われました。

ソニーは、 PlayStation 3の開発中に、 2番目のCellプロセッサ上でソフトウェアスキャンラインレンダラーの実験を行った後、従来のCPU/GPU構成に落ち着きました。

同様の原理がタイル レンダリング(最も有名なのはPowerVR 3D チップ) でも採用されています。つまり、プリミティブは画面スペースに分類され、その後、高速オンチップ メモリで一度に 1 つのタイルがレンダリングされます。Dreamcastは、直接ラスター スキャンアウト用に一度に 1 行のタイルをラスタライズするモードを提供し、ハードウェア スキャンライン レンダリングの精神に多少倣って、完全なフレーム バッファの必要性を省いています。

一部のソフトウェア ラスタライザーは、「スパン バッファリング」(または「カバレッジ バッファリング」) を使用します。このバッファリングでは、並べ替えられ、クリップされたスパンのリストがスキャンライン バケットに格納されます。プリミティブは、最終段階で可視ピクセルのみをラスタライズする前に、このデータ構造に連続して追加されます。

Z バッファリングと比較したスキャンライン レンダリングの主な利点は、可視ピクセルの処理回数が最小限に抑えられることです。透明効果が使用されない場合は、常に 1 回です。これは、高解像度の場合やシェーディング計算にコストがかかる場合にメリットとなります。

最新の Z バッファ システムでは、大まかな前から後ろへのソート (「リバース ペインター アルゴリズム」に近づく)、早期 Z リジェクト (階層 Z と組み合わせる)、およびプログラム可能な GPU で実行可能なあまり一般的ではない遅延レンダリング手法を通じて、同様の利点が得られます。

ラスター上で動作するスキャンライン技術には、オーバーロードが適切に処理されないという欠点があります。

この手法は、プリミティブの数が増えると、うまく拡張できないと考えられています。これは、レンダリング中に必要な中間データ構造のサイズが、複雑なシーンの Z バッファのサイズを超える可能性があるためです。

その結果、現代のインタラクティブ グラフィックス アプリケーションでは、Z バッファが広く使用されるようになりました。Z バッファを使用すると、現代のハードウェアに適した方法で、大量のプリミティブを線形に並列にトラバースできます。変換された座標、属性のグラデーションなどは、グラフィックス チップから出る必要はなく、表示されるピクセルと深度値のみが保存されます。

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