测试不同格式下depth buffer的精度
这篇文章主要是参考MJP的“Attack of The Depth Buffer”,测试不同格式下depth buffer的精度。
测试的depth buffer包含两类: 一是非线性的depth buffer,存储着perspective z(也就是最常用的,透视投影后归一化的z/w的buffer),二是线性的depth buffer,存储着view space z(这里的线性指的是在view space 中是否线性)。测试的格式包括16位浮点数,32位浮点数,16位定点数,还有最常用的24位定点数(DXGI_FORMAT_D24_UNORM_S8_UINT) 。
测试的方法是在pixel shader里采样depth buffer,然后构建出view space position,把这个值和vertex shader里插值过来的position做对比,把两者的差别输出到RT的red分量,这样越红的部分误差就越大。测试的near-clip plane为1,far-clip plane为300,场景模型用的是DXSDK里的Columns。
测试程序画面的左半边显示精度误差,右半边显示把精度误值乘以100的结果。
运行结果:
- Linear Z,16位浮点格式

从结果可以看出16位浮点的误差还是蛮大的,越靠近far-clip plane,误差越大
- Linear Z,32位浮点格式

很明显,32位的精度很高,只有在非常接近far-clip plane时才有些许误差,理论上来讲32位定点数精度会更好。当然高精度的代价是高带宽
- Linear Z,16位定点格式

16位定点格式的精度比浮点要好,误差分布也很均匀。如果某些情况必须使用16位的buffer时,16位定点数是不错的选择。
- Perspective Z,16位浮点格式

这是所有测试结果中误差最严重的一种,这和MJP的结果是一样的,原因在于浮点数的分布和透视投影的特性。所以无论何时,都不要使用16位浮点数的非线性depth buffer。
- Perspective Z,32位浮点格式

和之前的32位线性buffer一样,精度很高
- Perspective Z,16位定点格式

这个测试结果表明:对于非线性的depth buffer,16位定点数格式远好于16位浮点数,并且在靠近near-clip plane的地方,比16位的线性buffer精度更好,缺点就是在靠近far-clip plane时精度就下降很多,这是透视投影的特性导致的
- Perspective Z,24位定点格式

这是最常用的格式,从结果来看和32位的差不多。主要是这个测试结果的far-clip值并不大,误差值不容易察觉,实际的误差值在0.005%左右,如果far-clip非常大的话,误差就会变大。
- 分析总结
为什么16位浮点数非线性buffer的误差这么之大?原因有两个:1.透视投影的特性 2.浮点数的精度分布
根据透视投影矩阵,可以推导出view space z对应z buffer的函数图像如下

可以看出在靠近near的地方,曲线非常陡峭,斜率很大,在靠近far时,曲线很平稳,斜率很小。所以透视投影对于近处的物体有很好的精度,但随着越来越靠近far时,精度就会不断下降。
far和near的比值决定了曲线的陡峭程度,如果far/near越大,那么曲线就越陡,z buffer的精度越差。比如16位浮点格式,当far/near为600时,误差约为1%,当far/near为8000时,误差高达10%。
对于浮点类型,其值在[0,1] 区间并不是均匀分布的,实际上是在靠近0时,精度最好,远离0时,精度下降。如下图:

而浮点类型的这种分布,和透视投影的特性刚好是相矛盾的——在靠近near(0)时,斜率很大,view space z只要变换一点点,z buffer就能有很大变换,所以并不需要很高的精度,而在远离near时,斜率很小,就需要更多的精度。16位浮点本身精度就不如32位,再加上浮点的分布和透视投影特性,更加加剧了误差,所以16位float的非线性buffer的精度才会如此之差。
这也说明了为什么定点数的精度要好于浮点数——因为定点数是均匀分布的,不会有浮点数那样的问题。
当使用非线性的浮点buffer时,实际上浮点数的很多精度都被浪费了。所以有一种做法就是把near plane和far plane对换,这样近处的物体映射到1附近,远处的物体映射到0附近,这就刚好符合了浮点数的精度分布,这在精度不够时是一种很有效的优化手段。但在用的时候需要把depth test的条件从less改为greater,z buffer中的值变成了越大越靠近。
- Position Buffer的精度
MJP的博客里还测试了把position直接存储到texture的精度,他测试的格式是DXGI_FORMAT_R16G16B16A16_FLOAT 效果如下(左下角和右下角分别为误差和误差乘以100):

可以看出误差并不小,结果和用16位浮点depth buffer构建position是差不多的,所以把position存到texture是糟糕的选择,不仅精度不够,而且占用带宽。
- 线性和非线性的buffer
前面所说的线性和非线性buffer,指的是在view space中,perspective z的buffer不是线性的,view space z的buffer是线性的。但是在屏幕空间,情况相反,perspective z的buffer是线性的,而view space z的buffer不是线性的。Why ? 因为在屏幕空间,1/z才是线性的,而perspective z本身就是1/z的形式,所以是线性的,view space z不是1/z的形式,所以不是线性的。
屏幕空间中是线性的有什么好处?很多屏幕空间的渲染就能收益,线性就意味着位于同一图元表面的pixel的delta z是相同的(ddx(z), ddy(z)),那么边缘检测之类的就变得很容易。而且屏幕空间的线性意味着插值简单,无需做透视校正,那么对硬件是很友好的。
关于线性和非线性,Humus的“A couple of notes about Z”中有详细的论述。
- 总结
1. 尽量减小far/near的值。
2. 16位浮点数的非线性depth buffer精度最差,避免使用。
3. 浮点格式精度不够时,考虑交换near plane和far plane来提高精度
4. 在屏幕空间中,perspective z buffer是线性的,view space z buffer不是。
参考资料:
https://mynameismjp.wordpress.com/2010/03/22/attack-of-the-depth-buffer/
https://developer.nvidia.com/content/depth-precision-visualized
https://www.sjbaker.org/steve/omniv/love_your_z_buffer.html
http://www.humus.name/index.php?page=Comments&ID=255
http://dev.theomader.com/linear-depth/
测试不同格式下depth buffer的精度的更多相关文章
- D3D depth buffer的预览
在使用D3D开发游戏的过程中,很多情况下都会用到depth buffer来完成特定的效果,比如DOF,Shadows,SSAO等等.在这些情况下我们就可能需要预览depth buffer来确定它是正确 ...
- [Zz] DX depth buffer
声明:本文完全翻译自DX SDK Documentation depth buffer,通常被称为z-buffer或者w-buffer,是设备的一个属性,用来存储深度信息,被D3D使用.当D3D渲染一 ...
- Caffe学习系列(12):不同格式下计算图片的均值和caffe.proto
均值是所有训练样本的均值,减去之后再进行训练会提高其速度和精度. 1.caffe下的均值 数据格式是二进制的binaryproto,作者提供了计算均值的文件compute_image_mean, 计算 ...
- gpt格式下通过U盘装win7系统
首先下好一个64位的win7系统,可以是ghost版的,然后放到你的U盘,在U盘的根目录下添加bootmgr.efi,bootx64.efi.shell.efi这几个文件,其它都不要管,重启,你就在g ...
- 从depth buffer中构建view-space position
观察透视投影矩阵: 对于x和y,矩阵变换只是一个缩放系数,那么逆变换就是缩放系数的倒数,所以 设Xndc Yndc为NDC空间中的XY坐标,Xview Yview Zview为view space中的 ...
- Cesium 中由 Logarithmic Depth Buffer 引起的模型显示不完整的问题
当 Cesium 单个模型过长时,会遇到某些视角模型显示不完整的问题,如下图所示: 经过在官方论坛上询问,该问题由 viewer.scene.logarithmicDepthBuffer 开启造成,关 ...
- click 在网页测试手机模式下无效,不能执行。调成非手机模式即可
click 在网页测试手机模式下无效,不能执行. 调成非手机模式即可
- Depth Buffer
Up until now there is only one type of output buffer you've made use of, the color buffer. This chap ...
- 用实力燃爆暑期丨i春秋渗透测试工程师线下就业班开课了!
i春秋&赛虎暑期渗透测试工程师线下就业班开课了! 本期开班地点:北京,面授脱产:四个月. 如果这次没来得及报名的同学也可以选择9月份广州的班次,具体开班时间请咨询谢老师:18513200565 ...
随机推荐
- Java线程:锁
一.锁的原理 Java中每个对象都有一个内置锁,当程序运行到非静态的synchronized同步方法上时,自动获得与正在执行的代码类的当前实例(this实例)有关的锁.获得一个对象的锁也称为获取锁.锁 ...
- jQuery删除DOM节点
jQuery删除DOM节点 <%@ page language="java" import="java.util.*" pageEncoding=&quo ...
- Oracle中 Instr 这个函数
http://www.jb51.net/article/42369.htm sql :charindex('字符串',字段)>0 charindex('administrator',MUserI ...
- SoapUI:使用Excel进行参数化
本章中学习如下内容: 1) 使用DataSource调用Excel中的数据给接口参数化: 2) 使用DataSource Loop使得测试用例根据Excel中的取值循环 ...
- 简单加解密算法 - vb.net
Public Class Form1 Dim charAarray() As Char '加密 Private Sub Btn_En_Click(sender As System.O ...
- 微信小程序开发系列(二)小程序的全局文件
其实你已经知道了小程序的文件结构 上一节讲到,小程序的页面由三部分组成: 视图(.wxml).逻辑(.js).样式(.wxss). 我们这次重新展开文件结构: 小程序用到的文件类型只有四种,正如你所看 ...
- 照片提取GPS 转成百度地图坐标
感谢: 小慧only http://www.cnblogs.com/zhaohuionly/p/3142623.html GPS转化坐标方法 大胡子青松 http://www.cnblogs.com ...
- (二)Hololens Unity 开发入门 之 Hello HoloLens~
学习源于官方文档 微软官文~ 笔记一部分是直接翻译官方文档,部分各人理解不一致的和一些比较浅显的保留英文原文 (二)Hololens Unity 开发入门 之 Hello HoloLens~ 本文主要 ...
- 在ubuntu下编写python(python入门)
在ubuntu下编写python 一般情况下,ubuntu已经安装了python,打开终端,直接输入python,即可进行python编写. 默认为python2 如果想写python3,在终端输入p ...
- 框架篇:Spring+SpringMVC+hibernate整合开发
前言: 最近闲的蛋疼,搭个框架写成博客记录下来,拉通一下之前所学知识,顺带装一下逼. 话不多说,我们直接步入正题. 准备工作: 1/ IntelliJIDEA的安装配置:jdk/tomcat等..(本 ...