Z-buffer

Z-buffer, também chamado de buffer de profundidade (depth buffer), é uma técnica utilizando buffer de dados usada na computação gráfica que consiste na memória de um adaptador de vídeo encarregada de gerir as coordenadas de profundidade das imagens nos gráficos em três dimensões (3-D), de forma a eliminar sobreposições, normalmente calculadas por hardware e algumas vezes por software.

Para que se possa realizar a representação precisa e realista de um modelo tridimensional complexo, numa cena contendo vários objectos diferentes, é necessário que aquelas superfícies normalmente invisíveis de um determinado ângulo ou ponto no mundo sejam também renderizadas invisíveis no computador. Este problema é normalmente chamado de problema de superfície visível (visible-surface problem), quando o objetivo é determinar quais superfícies de um objecto são visíveis de um determinado ângulo, ou problema de superfície oculta (hidden-surface problem), quando o objectivo é determinar quais superfícies estão invisíveis neste momento.

Foi um problema fundamental abordado pela pesquisa em Computação Gráfica durante muito tempo. Para ilustrar o que são os efeitos desejados de um método dessa família de algoritmos, basta observar os dois desenhos mostrando a mesma estrutura, uma em modelo de arame e outra em modelo de sólidos/superfícies. A representação com z-buffer aplicado fornece de imediato muito mais informação sobre as posições relativas dos objectos na cena, uma vez que não só acontece a oclusão por sobreposição de pixels, mas também de intensidade dos pixels, ambas as coisas utilizando a coordenada z.

De todos os algoritmos para determinação de superfície visível, o buffer de profundidade ou Z-buffer é talvez o método mais simples e com certeza o mais amplamente utilizado.

O Princípio de Funcionamento

O princípio de funcionamento do algoritmo é muito simples: Para todos os pixels na Viewport, mantêm-se um registo da profundidade (em termos de coordenada z) do objecto na cena em que estiver mais próximo, para além de um registo da intensidade, cor, etc, que deveria ser utilizada ao mostrar esse ponto em particular na tela do computador. Todas as vezes que um novo polígono é processado, um valor de z e de intensidade são calculados para cada pixel que estiver dentro dos limites do polígono. Se o valor de coordenada z obtido para aquele polígono for inferior ao valor de z armazenado para aquele pixel no buffer, então esse objecto está mais próximo do que algum objecto anteriormente renderizado naquela posição e vai ocultar aquele objecto. Neste caso, substitui-se o valor armazenado naquela posição do buffer por este novo valor.

Se não for realizado nenhum cálculo de radiosidade ou outra técnica de raytracing mais avançada, após o processamento de todos os polígonos da cena, o buffer de intensidade/cor resultante representará exactamente os valores dos pixels da Viewport e pode ser visualizado sem mais nenhuma transformação.

O Método Z-Buffer

O algoritmo Z-Buffer trabalha em Coordenadas de Vídeo ou Viewport (espaço de dispositivo) e pode ser implementado facilmente como uma extensão/modificação de um algoritmo de conversão por varredura. O Z-Buffer ou Buffer de Profundidade, estrutura de dados da qual o método tira seu nome, é uma matriz [n x n] na qual o elemento (i,j) corresponde ao pixel (i,j). Esta matriz contém o valor de z em Coordenadas do Mundo (espaço de imagem) do objecto correntemente visível naquele pixel. Além disso, existe outra matriz [n x n] cujos elementos correspondem à cor ou intensidade luminosa que é para ser atribuída àquele pixel.

Exemplo

Considera-se um exemplo bidimensional com uma viewport-linha unidimensional com resolução de 8x1 pixels e com polígonos representados como segmentos de rectas. É um exemplo extremamente simplista, pois elimina o significado do eixo y, mas os passos a serem executados são praticamente idênticos à execução do algoritmo para três dimensões e dessa forma ficará mais fácil para se compreender.

Inicialização do Z-Buffer

O buffer de profundidade é inicializado atribuindo-se a todos os seus elementos o valor -∞, que pode ser representado por algum valor negativo extremamente alto, já que não se renderiza nenhum polígono até este momento. A matriz de cores ou intensidades luminosas (para renderizações em preto e branco) é inicializada atribuindo-se a todos os seus pixels a cor preta. Imagine o Z-Buffer como representando o volume de espaço "atrás" do buffer, na direcção z, tal qual está desenhado na figura abaixo.

Mapeamento da Profundidade dos Objectos na Cena

O próximo passo é mapear, pixel a pixel, a profundidade de cada objecto da cena que se encontra atrás daquele pixel. Toma-se cada um dos polígonos, executa-se a conversão por varredura e, durante esta conversão, executa-se os passos seguintes:

1 - Verificação de intersecção. Para cada píxel, determina-se os polígonos da cena cuja conversão de varredura resultou num elemento com as coordenadas x,y deste pixel.

2 - Determinação da ordem de ocultação. Para todos os polígonos da cena, determina-se para cada pixel (i,j) que intercepta o polígono, se o valor z em Coordenadas do Mundo (eixo z do desenho acima) deste polígono na posição do pixel é maior do que o valor z armazenado no Z-Buffer. Se for maior, calcula-se a cor e outros valores associados a este pixel e insere-se na entrada (i,j) da matriz de cor e insere-se o valor z do polígono naquele ponto na posição (i,j) do z-Buffer. Senão, não se faz nada.

Exemplo de Mapeamento

Se, se inserir uma linha, como mostrado em baixo, regista-se um valor de profundidade de cada pixel e obtêm-se os valores mostrados na figura:

Se, se inserir uma segunda linha e aplicar o algoritmo acima novamente, vê-se que o Z-Buffer foi actualizado e mostra o índice da linha "da frente", visível, naquele pixel e o valor de profundidade da linha naquele ponto.

Algoritmo Z-Buffer

Pode-se descrever na forma de um pseudocódigo bastante simples:

Algoritmo Z-Buffer
Dados:
Lista of polígonos {P1, P2, ..., Pn}
Matriz z-buffer[x,y] inicializado com ∞
Matriz Intensidade[x,y]
Início
para cada polígono P na lista de polígonos  faça {
    para cada pixel (x,y) que intercepta P faça {
        calcule profundidade-z de P na posição (x,y)
        se prof-z < z-buffer[x,y] então {
            Intensidade[x,y] = intensidade de P em (x,y)
            z-buffer[x,y] = prof-z
        }
    }
}
Desenhe Intensidade
fim

Uma vez que todo polígono pode ser dividido num conjunto de trapézios (se se aceitar o triângulo como um trapézio degenerado de topo zero), basta-nos considerar o algoritmo Z-buffer sobre trapézios. Para tal pode-se directamente modificar o algoritmo de renderização, ou então um dos algoritmos de rasterização mais avançados. Pode-se utilizar directamente os procedimentos de rasterização e de actualização de vídeo implementados pelo algoritmo de conversão que for ser utilizado.

Ver também

Edwin Catmull – inventor da técnica Z-Buffer.
3D computer graphics
z-fighting
Irregular Z-buffer
Z-order
Hierarchical Z-buffer

Para saber mais

Interactive Computer Graphics de Foley, van Damm http://www.inf.ufsc.br/~awangenh/CG/raytracing/zbuffering/index.html

Ligações externas

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