Z-buffer
Z-buffer, também chamado de buffer de profundidade, 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.
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.
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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. 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.
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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.
Imagem: Chu's your weapon · BY-NC-ND · Openverse
Pode-se descrever na forma de um pseudocódigo bastante simples: 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.
