在相机后面的位置进行广告牌时的伪影

Posted 2023-02-16

【中文标题】在相机后面的位置进行广告牌时的伪影

【英文标题】：Artefacts when billboarding at positions just behind camera

【发布时间】：2021-08-21 10:07:14

【问题描述】：

我在 opengl/rust 中绘制了一堆广告牌/三角形。我得到这些人工制品，其中一半的屏幕颜色模糊。经过调试，我发现经过变换后，一些顶点变得非常大。我将在下面用 glam 矩阵库在 rust 中放置一个可重复性最低的示例。

    let camera_position = [-696.2638, 31.615665, 346.61575];
    let camera_front = [0.72691596, -0.2045585, 0.65555245];
    let vtx_pos = [-714.08, 21.8639, 363.706];
    let fov: f32 = 1.012;
    let width = 1920_f32;
    let height = 1080_f32;
    let up = vec3(0.0, 1.0, 0.0).normalize();

    
    let camera_position = vec3(camera_position[0], camera_position[1], camera_position[2]);
    let camera_front = vec3(camera_front[0], camera_front[1], camera_front[2]);
    let camera_dvec =  camera_position + camera_front;
    dbg!(camera_dvec);
    // make matrix
    let view = Mat4::look_at_lh(camera_position, camera_dvec, up);
    dbg!(view);
    let projection = Mat4::perspective_lh(fov, width / height, 1.0, 5000.0);
    dbg!(projection);
    let vp = projection * view;
    dbg!(vp);

    // left bottom vertex
    let world_vtx = vec4(vtx_pos[0], vtx_pos[1], vtx_pos[2], 1.0);
    dbg!(world_vtx);
    let clip_vtx = vp * world_vtx;
    dbg!(clip_vtx);
    let ndc_vtx = clip_vtx.xyz() / clip_vtx.w;
    dbg!(ndc_vtx);

从上面的代码，我们得到

[src/main.rs:29] world_vtx = Vec4(
    -714.08,
    21.8639,
    363.706,
    1.0,
)
[src/main.rs:31] clip_vtx = Vec4(
    -24.995728,
    -17.885654,
    -0.7529907,
    0.24725342,
)
[src/main.rs:33] ndc_vtx = Vec3(
    -101.09356,
    -72.33734,
    -3.045421,
)

我认为 clip_vtx 的 W 部分应该在 -Z 的值附近。但其较小的值导致透视分割后的归一化设备坐标变得巨大。这使得三角形大得令人讨厌，每当该三角形的一部分进入我的视锥体时，我就会得到奇怪的颜色伪影。

有人可以帮我找出我做错了什么吗？或者这是教程没有教给我的矩阵变换的正常部分。

从我在 gamedev discords 中了解到的问题： 我在某个位置制作了一个广告牌，就像在相机后面一样。这会导致某种不连续性，其中左顶点停留在最左边，而右顶点由于变化的符号在 ndc 中变得非常大，如果我不手动剪辑它们就会产生问题。我仍然不知道如何处理不连续性的问题。现在我只是在计算左右顶点之间的距离，如果它在 ndc 中大于 2.0，我会跳过渲染那个广告牌。

有没有更好的方法来确定哪些位置会导致广告牌变得巨大？

【问题讨论】：

检查您的坐标，您的vtx_pos 似乎在摄像机后面。当您从-696.2638 向0.72691596 方向看（x 轴）时，-714.08 不在相机前面。您还可以很容易地看到，因为剪辑空间中的可见点必须在 [-w, w] 范围内具有 x,y,z。

@BDL 是的，但是那个顶点是两个三角形的一部分，它们都形成了一个巨大的三角形，当我稍微旋转我的相机时，那个三角形的一部分进入了我的视锥体。这有点导致问题。我应该怎么做才能避免这种情况？

为什么要“避免”这种情况？如果您的世界中有一个巨大的三角形，并且它与您的视锥相交，则输出是正确的。您在这里真正要解决的问题是什么？

@derhass 我没有大三角形。我在某个位置制作了一个广告牌，就像在相机后面一样。这会导致某种不连续性，其中左顶点停留在最左边，而右顶点由于变化的符号在 ndc 中变得非常大，如果我不手动剪辑它们就会产生问题。在多次不和谐询问后我意识到了这一点，但我仍然不知道如何处理不连续的问题。现在我只是在计算左右顶点之间的距离，如果它在 ndc 中大于 2.0，我会跳过渲染那个广告牌。

这个问题根本不清楚。 OpenGL 会自动进行所有裁剪，所以这个问题完全是误导性的。如果您编写自己的渲染器，那么剪裁将是必不可少的，否则如果几何部分位于相机后面，您会得到荒谬的伪影。

【参考方案1】：

花了几个小时询问和戳其他有经验的图形编程不和谐的人，但我对正在发生的事情有了更好的了解。 现在我改变了我的问题，过去我可以在堆栈溢出中看到类似的问题。我只是检查了其中一些并找到了一个很好的答案 https://***.com/a/65168709/7484780.

剪裁的整个问题是因为我将三角形/广告牌顶点作为 vec3 发送，而在顶点着色器中我做gl_Position = vec4(pos, 1.0)，所以 opengl 不做任何剪裁。同时，在进行透视分割之前，我也不做任何剪辑。所以，未剪辑的广告牌是我得到的人工制品，尤其是在相机后面。

【讨论】：

如果您手动进行透视分割，并且只是将 NDC 坐标输入到gl_Position（出于某种原因，它位于 剪辑空间 中），那么您不仅可以绕过剪辑, 也是插值的透视校正。