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Stencil Buffer


Stencil Buffering ist eigentlich nichts Neues, sondern eine in der OpenGL - Welt schon lange bekannte Standard - Technik. Während dieses Hardware - Feature in der Grafikkartenindustrie für Spielebeschleuniger langsam aber sicher zum Standard avanciert, tauchten auch die ersten Demoversionen von Spielen auf, welche davon Gebrauch machen. Bereits 1998 demonstrierte Creative Labs (die mit dem Sound Blaster ...) anhand einer angepassten Unreal - Version erste mögliche Effekte mit Stencil Buffern anhand der hauseigenen TNT - Karten. Obwohl Creative Labs ankündigte, diesen Patch auch für andere TNT - Karten zu veröffentlichen, blieb dieser Schritt bis heute aus.

Auch sonst blieb dem Stencil Buffer bis jetzt der grosse Durchbruch als Killer - Feature aus. Quake III Arena (Q3A) der Spieleschmiede id software, Expandable von Rage Software sowie Unreal Tournament (UT) von EPIC Megagames sind drei prominente Beispiele für Spiele, welche den Stencil Buffer optional nutzen. Obwohl der Stencil Buffer angesichts neuer Schalgworte wie "Enviromental Bump Mapping", T&L oder "T-Buffer" etwas an Aufmerksamkeit verloren hat, widmen wir uns einem Blick hinter die Kulissen, um auch wirklich zu wissen, von was hier überhaupt die Rede ist und was für Effekte möglich sind.

 

Stencil Buffer wortgenau

Das Wörtchen 'Buffer' verrät es bereits, der Stencil Buffer ist im Grunde genommen ein weiterer für den Grafikchip nutzbarer Speicherbereich, wie dies der z-Buffer für Tiefenwerte und der Framebuffer für Farbwerte ist. In der Tat werden die Stencil - Werte zusammen mit den Tiefenwerten (z-Werte) gespeichert, die z-Werte belegen die ersten 24bits eines Words (gängige Packetgrösse bei Computern), die Stencil - Buffer - Werte die übrigen 8 bits.

Stencil heisst in der sinngemässen deutschen Übersetzung Schablone oder Maskierung, was darauf schliessen lässt, dass man bestimmten Bereichen des Bildes, ja sogar einzelnen Pixeln, bestimmte Werte zuweisen kann. Bildlich gesprochen hängt man jedem Pixel einen kleinen Notizzettel dran, auf dem sich die 3D - Engine bzw. der 3D - Chip bestimmte Dinge "notieren" kann. Zugänglich ist der Stencil Buffer in OpenGL und Direct3D ab Version 6. Der Funktionsumfang in beiden APIs ist derselbe. Wir wollen nun ein paar mögliche Effekte des Stencil Buffers genauer unter die Lupe nehmen.

 

1-bit Stencil Buffer

1 bit ermöglicht zwei Zustände, 1 oder 0, oder in unserem Fall sichtbar oder unsichtbar. Somit kann man zu jedem Pixel zusätzlich zu den 24bit z-Buffer - Werten einen weiteren Wert, eben 0 oder 1, zuweisen. Was kann ich nun damit machen? Uns sind zwei mögliche Anwendungen eines 1bit - Stencil Buffers bekannt:

Unnötige Arbeit verhindern

Man stelle sich ein etwas komplexeres Cockpit vor, z.B. jenes eines Hubschraubers, wo man oben und normalerweise unten zum Fenster herausschauen kann, während etwas unter der Mitte die Instrumentenkonsole die Sicht nach drausen verdeckt. Für den Spielprogrammierer wäre es äusserst mühsam, hier das Bild aufzutrennen und die oberen und unteren Bereiche getrennt zu betrachten, er will lieber die ganze Umgebung zusammen betrachten. Da fast ein Drittel des Bildes wieder verdeckt würde, müsste die Grafikkarte unnötig viel rendern und die 3D-Engine unnötig viele Bereiche erneuet berechnen, denn das 2D-Bild, welches das Cockpit und die Fensterstäbe darstellt, würde über bereits gerenderte Bereiche gelegt. Wenn man nun die entsprechenden Bereiche mit einem Stencil Buffer maskiert, könnte man so dem 3D-Chip einiges an Arbeit ersparen. Diejenigen Bereiche, welche nicht berechnet werden müssen, da sowieso ein 2D - Bild darübergelegt wird, erhalten den Stencil - Wert 0, dort, wo man durch das Fenster nach draussen sehen kann, setzt man den Stencil - Wert auf 1. Dreiecke, welche sich in dem Bereich mit den 0 - Werten befinden, werden erst gar nicht betrachtet. Von den Dreiecken, welche betrachtet werden, werden desweiteren nur die Pixel betrachtet, bei denen der Wert auf 1 ist. Der Stencil Buffer erfüllt hier eine ähnliche Aufgabe wie der z-Buffer, der dasselbe für übereinandergelegte Dreiecke übernimmt ('Hidden Surface Removal'

Fadeeffekt

Das Überblenden von zwei bewegten Szenen (Dissolve) ist ein weiterer Effekt, der mit einem 1bit - Stencil Buffer (und natürlich auch mit einem 8bit - Stencil Buffer) möglich ist. Dieser Effekt ist auch etwas spektakulärer als oben erklärte Arbeitsoptimierung. Allerdings kann ich euch kein 3D - Spiel nennen, das einen solchen Effekt verwendet, obwohl dieser sicher recht nett aussehen würde, dern Nutzen allerdings zugegebenermassen etwas gering wäre. Einige ältere 2D - Games wie Micro Machines machen allerdings davon Gebrauch

Man berechne zwei verschiedene Szenen gleichzeitig. Die eine Szene ist noch nicht sichtbar, d.h. alle Stencil - Buffer Werte der sichtbaren Szene seien auf 1, jene der unsichtbaren seien auf 0. Nun beginnt man mit dem Fading. Man beginne, ein kleines Raster auf dem sichtbaren Bild durch 0en zu erstetzen und ersetze dieselben Werte auf dem noch unsichtbaren Bild durch 1en. Da immer die Bereiche mit Stencil - Wert 1 in den Bildspeicher geschrieben werden, erscheint langsam die bisher nicht sichtbare Szene - beide Szenen bleiben wohlgemerkt in Bewegung! Nun weite man das Raster aus und flippe immer mehr Stencil - Werte bis die eine Szene völlig verschwunden ist und die neue Szene das ganze Bild einnimmt. Zugegeben, dies wäre etwas anspruchsvoll für die Hardware, da einerseits die 3D-Engine des Spiels alles doppelt berechnen muss und andereseits die Bandbreite der 3D - Hardware aufgrund des massiven Gebrauchs des Stencil Buffers belastet wird, aber es wäre eine mögliche Anwendung eines 1 - bit - Stencil Buffers.

Soweit zwei Beispiele eines 1 bit - Stencil Buffers. Ich bin mir sicher, dass damit noch mehr Effekte möglich sind, doch bin ich nun mal kein kreativer Spieleentwickler und somit fallen mir auch keine weiteren Anwendungsmöglichkeiten ein. Doch was, wenn die Speichertiefe etwas höher schrauben? weiter

 

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