OpenGL中的亚像素渲染 - 精度问题

Question

我需要为摄影测量应用程序生成一系列测试图像。这些图像应包含简单的对象（圆盘，矩形等），其位置非常精确。

考虑到黑色矩形在白色背景上的8位灰度图像，在插值后最小可观测位移应为1/256像素，因为每个像素有256个可能的强度级别。

我决定使用OpenGL（具有python + pyglet）来渲染这些图像，因为后来我将不得不渲染更复杂的（3D场景，立体图像对）。

不幸的是，我已经实现的最佳精度大约是每个像素/10，完整的强度深度没有被使用。

是否可能做得更好，理想情况下 - 实现完全的1/256像素的准确性？如果有，请提供如何达到这一目标的任何提示？

示例代码，生成部分圆盘图像，每帧移动0.01个像素。

#-*- coding: utf-8 -*-
import pyglet
from pyglet.gl import *
from PIL import Image, ImageGrab

config = pyglet.gl.Config(width = 800, height = 600, sample_buffers=1, samples=16)
window = pyglet.window.Window(config=config, resizable=True) 
window.set_size(800, 600)

printScreenNr = 0

@window.event
def on_draw():
     global printScreenNr
     window.clear()
     glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT );

     glLoadIdentity()
     glEnable(GL_LINE_SMOOTH)
     glHint(GL_LINE_SMOOTH_HINT, GL_NICEST);

     glTranslated(200, 200,0)

     circleQuad = gluNewQuadric()
     glTranslated(200+(printScreenNr*0.01), 0, 0)
     gluPartialDisk(circleQuad, 0, 50, 500, 500, 0, 180)

@window.event
def on_resize(width, height):
    glViewport(0, 0, width, height)
    glMatrixMode(GL_PROJECTION)
    glLoadIdentity()
    glOrtho (0, width, height, 0, 0, 1);
    glMatrixMode(GL_MODELVIEW)
    return pyglet.event.EVENT_HANDLED

@window.event
def on_text(text):
    global printScreenNr
    if(text == "p"):
        pyglet.image.get_buffer_manager().get_color_buffer().save('photo'+str(printScreenNr)+'.tiff')
        printScreenNr += 1

pyglet.app.run()

以上代码使用的是gluPartialDisk，但我也使用了四边形测试了该问题，结果的准确性没有区别。

- Pietro

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你尝试过使用32位色深吗？我这么说的原因是，32位路径是现今图形驱动程序中最常用和最维护的代码路径。如果这样可以解决问题，那么之后你就可以进行高质量的色深缩放。 - Ani

尝试过了，但结果没有改变... 仍然谢谢。 - Pietro

Answer 1

一个简单的方法就是按照比例缩放图片。如果按照4.0的比例进行缩放，则16个原始像素将合并为一个目标像素，这样在缩放纯黑白图像时会得到16种灰度。

但这里有一个问题，可能会导致你遇到的问题。如果你有这样的情况：

  ...#####
  ...#####
  ...#####
  ...#####

（左侧：白色，右侧：黑色填充矩形），那么您将有12个白色像素和4个黑色像素对一个输出像素进行贡献。要获得1个黑色像素，输入需要是这样的：

  ....####
  ....####
  ....####
  ...#####

看到了吗？即使黑盒子只泄漏一个像素到白色空间中，但它会泄漏四次。因此，为确保您的亚像素渲染代码正常工作，您需要查看单个像素或角落，而不是边缘。

- Aaron Digulla

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渲染一个（更大的）图像可能是一个解决方案，但我认为屏幕的大小是一个限制？所以这不会帮助太多。至于你回答的另一部分，我不确定我是否理解正确...如果图像在每个方向上缩放了4倍，那么在观察边缘时会产生4种可能的阴影（在观察点时会产生16种阴影），但仍然应该有一种方法能够以完整深度精度生成定位的边缘。 - Pietro

边缘只有四个不同的位置，因此您只能获得16种中的4种。 - Aaron Digulla

假设图像已经按256倍缩放。 边缘将有256个位置，而点则有256^2个（将四舍五入）。我不知道在OpenGL中是否可以做到这样的事情（在这种情况下性能不是问题）， 但我认为满足这些要求的图像通常是可以生成的。我的问题只是：如何做到这一点... - Pietro

你可能想要按16进行缩放（16x16 = 256）。将其渲染到离屏纹理中，然后将纹理缩放到一个完全适合屏幕的矩形上。 - Aaron Digulla

感谢您提供离屏纹理建议。但是，我不想按16缩放 - 我需要每个方向至少0.01像素的精度，因此这还不够。最大纹理尺寸受限，因此我不知道在OpenGL中是否可能实现。 - Pietro

PIL应该能够创建（几乎）任何大小的图像。如果您将原始图像创建为B / W（每像素1位），则应该能够使其变得非常巨大。 - Aaron Digulla

Answer 2

即使您正在使用正交投影，GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT 对渲染精度可能会产生影响。至少我依稀记得很多年前使用 glHint(GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL_NICEST); 修复了我的正交投影场景中的一些间隙。

- Jorn van de Beek

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谢谢，已添加，目前没有改变结果，但也许将来需要3D模式。 - Pietro