ステンシル バッファ

ステンシルバッファは、カラー バッファとZ バッファに加えて、最新のグラフィックス ハードウェアに搭載されている追加のデータ バッファです。バッファはピクセルごとに存在し、通常はピクセルあたり1バイトの深さで整数値を処理し、 Z バッファとステンシル バッファは、グラフィックス ハードウェアの RAM内で同じ領域を共有することがよくあります。

最も単純なケースでは、ステンシル バッファはレンダリング(ステンシル)の領域を制限するために使用されます。ステンシル バッファのより高度な使用法では、レンダリング パイプライン内の Z バッファとステンシル バッファ間の強力な接続を利用します。たとえば、深度テストに合格または不合格になったピクセルごとに、ステンシル値を自動的に増減できます。

深度テストとステンシル修飾子の単純な組み合わせにより、ステンシルシャドウボリューム、両面ステンシル、^[1]合成、デカール、溶解、フェード、スワイプ、シルエット、アウトライン描画、複雑なプリミティブ間の交差の強調表示など、さまざまなエフェクトが可能になりますが、多くの場合、複数のレンダリングパスが必要になるため、グラフィックスハードウェアに大きな負荷がかかります。

最も一般的な用途は、3D アプリケーションに影を追加することです。平面反射にも使用されます。

ポータル レンダリングなどの他のレンダリング手法では、ステンシル バッファーを別の方法で使用します。たとえば、ポータルによって隠されている画面の領域を見つけて、それらのピクセルを正しく再レンダリングするために使用できます。

ステンシル バッファーとその修飾子には、OpenGL、Direct3D、Vulkan、MetalなどのAPI を使用してコンピューター グラフィックスからアクセスできます。

ステンシル バッファは通常、Z バッファと同じメモリ空間を共有し、その比率は Z バッファ 24 ビット + ステンシル バッファ 8 ビットですが、以前は Z バッファ 15 ビット + ステンシル バッファ 1 ビットでした。別のバリエーションは 4 + 24 で、32 ビットのうち 28 ビットが使用され、4 ビットは無視されます。ステンシル バッファと Z バッファはフレーム バッファの一部であり、カラー バッファに結合されています。より広い市場で最初に利用可能になったチップは、1 ビットのステンシル バッファをサポートした 3Dlabs の Permedia II でした。

^{ステンシル バッファに割り当てられたビットは、[0, 2 n} -1]の範囲の数値を表すために使用することも、ブール行列 (n は割り当てられたビットの数) として使用することもできます。これらの各ビットは、シーンの特定の部分を制御するために使用できます。使用可能なメモリを使用するこれら 2 つの方法の任意の組み合わせも可能です。

ステンシル テストまたはステンシル化は、ピクセル/フラグメント (ピクセル単位の操作) の操作の 1 つで、アルファ テストの後、深度テストの前にあります。ステンシル テストは、不要なピクセルが深度テストに到達しないようにします。これにより、シーンの処理時間が節約されます。同様に、アルファ テストは、対応するピクセルがステンシル テストに到達するのを防ぐことができます。

テスト自体は、ステンシル バッファー内の何らかの値に対して実行され、または変更または使用され、いわゆるステンシル関数およびステンシル操作を通じて実行されます。ステンシル関数は、特定のピクセルのステンシル値を指定された参照値と比較する関数です。この比較が論理的に trueの場合、ステンシル テストは合格です。そうでない場合は合格ではありません。

そうすることで、3 つの異なる状態深度とステンシル バッファーを比較した結果によって発生する可能性のある反応は次のようになります。

• ステンシルテストに合格しませんでした
• ステンシルテストは合格したが、深度テストは合格しなかった
• 両方のテストに合格しました（またはステンシル テストに合格しましたが、深度は有効になっていません）

これらの各ケースでは、検査されたピクセルに対して異なる操作を設定できます。OpenGL ステンシル関数では、参照値とマスクはそれぞれ関数 glStencilFunc を定義します。Direct3D では、これらの各コンポーネントは、現在制御されているデバイスのメソッド SetRenderState を使用して個別に調整されます。このメソッドには 2 つのパラメータが必要です。最初のパラメータは設定される条件で、もう 1 つはその値です。上記の順序で、これらの条件は D3DRS_STENCILFUNC、D3DRS_STENCILREF、および D3DRS_STENCILMASK と呼ばれます。

OpenGL のステンシル操作では、3 つの値を必要とする glStencilOp 関数を調整します。Direct3D では、各状態は特定のメソッド SetRenderState によって設定されます。操作に割り当てることができる 3 つの状態は、D3DRS_STENCILFAIL、D3DRENDERSTATE_STENCILZFAIL、および D3DRENDERSTATE_STENCILPASS と呼ばれます。

Z バッファの精度が不足しているため、近距離の、または重なり合う共面ポリゴンは、多数の不規則な断面を持つ単一の平面として表現されることがあります。これらの断面は、カメラの位置やその他のパラメータによって異なり、急速に変化します。これを Z ファイティングと呼びます。この問題には複数の解決策があります。

- 遠い平面を近づけてシーンの深度を制限し、Z バッファの精度を高めたり、シーン内でオブジェクトが見える距離を短くしたりします。

- Z バッファに割り当てられるビット数を増やします。これは、ステンシル バッファのメモリを犠牲にすることで可能です。

- ポリゴンを互いに離すと、アーティストが複雑なシーンを作成する可能性が制限されます。

この問題に対するこれらすべてのアプローチは、ポリゴンが Z ファイティングを経験する可能性を減らすことしかできず、一般的なケースで決定的な解決策を保証するものではありません。

ステンシル バッファーを含むソリューションは、どのポリゴンを他のポリゴンよりも前に配置すべきかという知識に基づいています。前面のポリゴンのシルエットがステンシル バッファーに描画されます。その後、残りのシーンはシルエットが負の値である部分のみをレンダリングできるため、前面のポリゴンと衝突することはありません。

シャドウ ボリュームは、レンダリングされたシーンに影を追加するために3D コンピュータ グラフィックスで使用される手法です。これは、光源から遮られた領域の 3D 形状を記述するジオメトリとして、 1977 年にFrank Crow ^[2]によって初めて提案されました。シャドウ ボリュームは、仮想世界を影になっている領域と影になっていない領域の 2 つに分割します。

シャドウ ボリュームのステンシル バッファ実装は、現代の 3D グラフィックス ハードウェアで使用するための最も実用的な汎用リアルタイム シャドウイング手法の 1 つであると一般に考えられています。この手法はビデオ ゲーム Doom 3によって普及し、このゲームで使用されている手法の特定のバリエーションはCarmack's Reverseとして知られています。

シーンの反射は、シーン自体が「ミラー」平面を基準に変換および反射されて描画されます。これには、複数のレンダリング パスと、現在のレンダリング パスが機能する領域を制限するためのステンシル バッファーの使用が必要です。

1. ミラー領域を除いたシーンを描画します。各ミラーのZバッファとカラーバッファをロックします。
   1. ミラーの見える部分をレンダリングする
   2. 深度テストは、各ピクセルが最大値を入力して常に合格するように設定されている。
2. 各ミラーについて:
   1. 深度テストは、ピクセルの距離が現在の値より小さい場合にのみ合格するように設定されています（デフォルトの動作）
   2. マトリックス変換は、鏡面を基準にしてシーンを反映するように変更されます。
   3. Zバッファとカラーバッファのロックを解除する
   4. シーンを描画しますが、ミラープレーンとカメラの間にある部分のみを描画します。言い換えると、ミラープレーンはクリッピングプレーンでもあります。
   5. 再度カラー バッファーをロックし、深度テストが常に合格するように設定し、次のミラー用にステンシルをリセットします。

影の平面を描くときには、2 つの主な問題があります。1 つ目は、影の平面とその外側で覆われている部分に平面ジオメトリが適用されない場合の、深みの問題です。これに関連するセクションを参照してください。もう 1 つの問題は、平面が存在する領域の外側の影の範囲に関係します。

テクニックによっては発生する場合と発生しない場合があるもう 1 つの問題は、影の 1 つの部分にポリゴンが多く配置されることで、同じ色合いの暗い部分と明るい部分が生じるというデザインです。3 つの問題はすべて幾何学的に解決できますが、ハードウェア アクセラレーションを直接使用できる可能性があるため、ステンシル バッファーを使用したほうがはるかに洗練された実装になります。1. ライトを有効にし、ライトを選択します。2. 影を投影するポリゴンのないシーンを描画します。3. 影を投影するすべてのポリゴンを、ライトなしで描画します。これを行うには、ステンシル バッファーで、各ポリゴンのピクセルに、それらが属する地面の特定の値を割り当てます。各プレーンで、影と明るいという 2 つの状態に対して 2 つの値を使用するため、これらの値の間の距離は少なくとも 2 である必要があります。4.グローバル イルミネーションをすべて無効にします(次の手順が個々の選択したライトにのみ影響するようにするため)。プレーンごとに、次の操作を行います。ライトごとに、次の操作を行います。1. ステンシル バッファーを編集し、選択したレベルの特定の値を持つピクセルのみを編集します。指定されたレベルの日付と明るさの間で投影されたオブジェクトであるすべてのピクセルの値を増やします。2. 特定の値が変更されていない部分のレベルを描画するために、選択されたライトのみを許可します。

空間描画シャドウのステンシル バッファー実装は、そのボリュームにシーンの一部が含まれる幾何学的ボディのシャドウです。シーンの一部がこのボリュームに属している場合は、ライトは照らされませんが、そうでない場合は照らされます。この問題は、ライトの数が増えることで複雑になりますが、シャドウが落ちる領域の数には対処していません。この問題にはいくつかの解決策がありますが、次のアルゴリズムに従いました。1. ライトなしでシーンを描画します。2. Z バッファーとカラー バッファーをロックして、2 つが変更できないようにします。各ライトについて、1. シーンに関する詳細情報 (Z バッファー) を使用して、ボリューム シャドウが存在しない、または既存の建物から見えないシーンの部分のみにステンシル バッファーを塗りつぶします。2. カラーのバッファーをロック解除し、深度値が既存のものと等しい場合にのみ修正を許可するように Z バッファーの機能を調整します。3. このライトのみで照らされたシーンを描画しますが、ステンシル テストに合格したシーンの一部のみに描画します。

これらの各節は、クリーンなステンシル バッファーを使用できることを示唆しています。

影に関しては、この技術は強い光の下にある空間の一部を照らすのに使用できます。たとえば、空気中に大量のほこりが存在する暗い部屋では、スポットライトの明るさが適切な容積の空間を照らしていることがわかります。

さらなる例としては、いわゆるソフト シャドウがあります。これは、シーンの照明部分と影の部分の間の遷移が焦点が合っていない状態です。具体的には、ステンシル バッファーでこの効果を実現する 1 つの方法は、シャドウのボリュームを乗算し、そのコピーをそれぞれ低倍率 (例: 1.04) の幾何級数に従ってスケーリングすることです。スケーリングの中心は、上部のボリュームを表すポリゴンの重心にすることができます。これ自体が、目的の効果をもたらす一連の合成シャドウを生成します。

別の実装には、ソリッド モデリング手法Constructive Solid Geometry (CSG)中の視覚化の分野が含まれます。この分野では、ステンシル バッファーと Z バッファーを組み合わせて、SOLiD の ブール演算の問題をうまく解決できます。

glEnable ( GL_STENCIL_TEST ); // デフォルトでは無効glStencilMask ( stencilMask ); // ステンシル バッファへの書き込みを許可します。デフォルトでは (0xFF) マスクなしglClearStencil ( clearStencilValue ); // ステンシル値をクリアします。デフォルトでは 0 ですglStencilFunc ( func , ref , mask ); // デフォルトでは GL_ALWAYS、0、0xFF、常にステンシル テストに合格しますglStencilOp ( fail , zfail , zpass ); // デフォルトでは GL_KEEP、GL_KEEP、GL_KEEP、ステンシル バッファを変更しませんglClear ( GL_STENCIL_BUFFER_BIT ); // ステンシル バッファをクリアします。(clearStencilValue & stencilMask) で埋めます 
 
 
   
 
 

テスト: ( ref & mask ) func (stencilValue & mask)

ステンシル機能/深度機能の3つの可能な条件によって異なります。

1. ステンシルテスト関数が失敗する:

   say func が GL_NEVER の場合、ステンシル テストは常に失敗します。
   カラー/Z バッファは変更されません。ステンシル バッファは glStencilOp の失敗に従って変更されます。
   glStencilOp(GL_REPLACE, GL_KEEP, GL_KEEP)とするとGL_REPLACEが実行され、
   stencilValue = (ref & stencilMask) // ref になります

2. ステンシル テスト関数は合格/深度テスト関数は不合格:

  たとえば func が GL_ALWAYS の場合、ステンシル テストは常に合格しますが、深度テストは失敗する可能性があります。
  カラー/Z バッファは変更されません。ステンシル バッファは glStencilOp zfail に従って変更されます。
  glStencilOp(GL_KEEP, GL_INCR, GL_KEEP)とするとGL_INCRが実行され、
   stencilValue = (stencilValue+1) // 1 になります

3. ステンシル関数パス/深度関数パス:

  func が GL_ALWAYS の場合、ステンシル テストは常に合格します。深度テストも合格します。
  カラー/Z バッファの両方が変更されます。ステンシル バッファは glStencilOp zpass に従って変更されます。
  たとえば、glStencilOp(GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP) の場合、ステンシル値は変更されず、カラーと Z バッファのみが変更されます。

通常、ステンシル バッファーは、Z バッファーとカラー バッファー マスクを false に設定して初期化されます。その後、毎回ステンシル テストを失敗させることで、適切な参照値をステンシル バッファーに設定します。

  // カラーと Z バッファを無効にする
glColorMask ( GL_FALSE , GL_FALSE , GL_FALSE , GL_FALSE ); glDepthMask ( GL_FALSE );     
  

  glStencilFunc ( GL_NEVER , 1 , 0xFF ); // ステンシル テストに合格しないglStencilOp ( GL_REPLACE , GL_KEEP , GL_KEEP ); // ステンシル バッファーの値を ref=1 に置き換えるglStencilMask ( 0xFF ); // ステンシル バッファーは書き込み可能glClear ( GL_STENCIL_BUFFER_BIT ); // まず、デフォルトのステンシル値 (0) をすべてのステンシル バッファーに書き込むことで、ステンシル バッファーをクリアします。draw_stencil_shape (); // ステンシル バッファー内のステンシル シェイプのピクセル位置で、ステンシル バッファーの値を ref = 1 に置き換える   
      
   
    
   

次に、初期化されたステンシル バッファーとステンシル テストを使用して、ステンシル値が 1 の場所にのみ書き込みます。

  
// カラーとZ バッファを有効にします。glColorMask ( GL_TRUE , GL_TRUE , GL_TRUE , GL_TRUE ); glDepthMask ( GL_TRUE );     
  

  // ステンシルおよび深度パスでのステンシル バッファーの変更は不要になりました。glStencilMask 
( 0x00 ); // glStencilOp (GL_KEEP, GL_KEEP, GL_KEEP); でも実現できます。  
  

  // ステンシル テスト: stencilValue == 1 の場合にのみステンシル テストに合格します (深度テストは合格すると想定します)。//
実際のコンテンツをステンシル シェイプの位置でのみ深度およびカラー バッファーに書き込みます。glStencilFunc ( GL_EQUAL , 1 , 0xFF ); draw_actual_content ();  
    
 
  

• Zバッファリング（深度バッファ）
• シャドウ ボリューム(影を作成するステンシル バッファ テクニック)