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Ottimizzazione della scena
Daniele Marini
Corso di Programmazione Grafica per il Tempo Reale
Esigenze del RT rendering
• maggiori frame /sec• risoluzione più alta• oggetti più accurati e realistici
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Limiti?
• Dimensioni e risoluzioni di frame buffer e display crescono
• complessità della scena cresce, ci sono modelli con 500 Mtriangoli o più
• qualità del rendering cresce
• quindi: occorre accelerare gli algoritmi
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Escogitare strutture dati adeguate
• il problema della accelerazione è determinato dalla complessità computazionale di un problema di ricerca:– trova gli elementi della scena che devono certamente
venire visualizzati (oppure che non devono certamente venire visualizzati)
• lo scopo è di ridurre il numero di elementi da esaminare e trasformare
• organizzare la geometria in qualche spazio per accelerare il problema di ricerca, es: da O(n) a O(logn)
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Soluzioni: strutture dati spaziali
• tre tipi principali di strutture dati spaziali:– gerarchia di volumi di contenimento -
bounding volume hierarchy BVH– alberi a partizione binaria dello spazio
binary space partition trees BSP trees– alberi a otto rami octrees
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Bounding Volumes
• possono essere:– Sfere– Scatole (box)
• AABB• OOBB• k-DOP
• E’ la soluzione più comune
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Bounding Volumes
• La gerarchia di BV è organizzata ad albero, le foglie contengono l’effettiva geometria, nodi interni contengono puntatori a nodi figli o a nodi foglia
• ogni nodo, incluse le foglie, comprende il BV della geometria contenuta
• la radice ha un BV che contiene l’intera geometria della scena
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8
Vogliamo trovare l’oggetto cliccato
1) Test primala radice2) Scendi ’albeero ricorsivamente3) Termina quando possibile
In generale: O(log n) invece di O(n)
click!
PGTR aa 2010/2011
Alberi di BV
• in generale alberi a k figli, k-ary trees• è definito il concetto di livello: la radice ha
livello 0, una foglia discendente dalla radice ha livello 1 etc.
• un albero è bilanciato se tutti i nodi foglia sono al livello h
• in un albero bilanciato il livello massimo è floor(logkn) con n numero totale nodi (interni e foglie)
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Alberi di BV
• un albero è pieno (full) se tutti i nodi foglia sono alla stessa altezza h (k è l’ordine dell’albero)
• il numero totale di nodi di un albero pieno è:n=k0+k1+..+kh=(kh+1-1)/(k-1)
• il numero delle foglie è: l=kh il numero dei nodi interni è: i=n-l
• se l’albero è binario k=2 e n=2l-1=2*2h-1• più elevato è k minore è l’altezza dell’albero, più
rapido l’attraversamento• l’albero binario è il più semplice da trattare• si è verificato che l’efficienza maggiore si ottiene
con alberi di ordine k=2 o k=4 o k=8
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Alberi BV• La costruzione di un albero con k=8 si fa
semplicemente dividendo lo spazio lungo i tre assi principali
• con alberi BV la ricerca di intersezioni è ricorsiva dalla radice; se un raggio non interseca un BV non interseca neppure la geometria contenuta, e la ricerca nel sottoalbero può terminare
• Nel caso di scene dinamiche la gerarchia BV deve venire aggiornata: se il volume è spostato si controlla se appartiene ancora allo stesso BV, altrimenti si rimuove il volume e si ricomputa il padre, risalendo se necessario la gerarchia fino alla radice
• Per computare un BV occorre trovare una scatola che racchiude in modo efficiente i volumi della scena.
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BSP trees
• due varianti principali:– allineati agli assi axis aligned (aa)– allineati ai poligoni polygon aligned (pa)
• si crea un BSP tree bisecando ricorsivamente lo spazio con piani
• un vantaggio è che se l’albero è percorso in modo opportuno, il contenuto geometrico dell’albero può venire ordinato secondo qualunque punto di vista (approssimato con AA esatto con PA )– questo non è possibile con alberi BV
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AA BSP trees1. l’intera scena viene racchiusa in un AABB2. la scatola viene suddivisa ricorsivamente
con piani allineati alle facce del AABB3. i piani possono essere scelti in modo:
1. dividere il volume esattamente a metà2. mettere nei sottovolumi circa la metà della
geometria
4. la ricorsione termina quando si giunge a una soglia
1. può essere l’altezza massima dell’albero2. oppure il numero di primitive contenuto in un
sottospazio è inferiore a una soglia
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Suddividere sull’asse più lungo
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x + lungo Trova box minima
Taglia lungo asse + lungo
Trova box minima
PGTR aa 2010/2011
AA BSP trees
• la strategia nella ricorsione può essere:– ciclare a turno con piani orientati con gli assi:
k-d trees• si incomincia dividendo lungo x, poi i figli vengono
suddivisi lungo y e i nipoti lungo z, e si ripete il ciclo
– trovare il lato massimo del volume e suddividerlo
• in tal caso per avere un albero bilanciato bisogna dividere in modo che i due semispazi abbiano circa lo stesso numero di primitive, ma questo ha un costo
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AA BSP trees• come è ordinata approssimatamente la
geometria secondo il punto di vista?– sia N il nodo in esame– N diviene la radice da cui continua l’esplorazione
dell’albero– l’attraversamento dell’albero prosegue nel
semispazio in cui si trova il punto di vista– l’attraversamento di questo semispazio termina
quando qualche BV è dietro l’osservatore (il piano near)
– Si affronta poi l’attraversamento dell’altro semispazio– L’attraversamento produce un ordinamento vicino-
lontano degli oggetti
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PA BSP trees
1. si sceglie un poligono come luogo di divisione dello spazio (il piano del poligono è il piano di divisione)
2. ogni poligono intersecato dal piano di divisione viene suddiviso un due sotto poligoni
3. ricorsivamente in ciascun semispazio si sceglie un nuovo poligono che definisce il nuovo piano di divisione
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PA BSP trees
• il processo termina quando tutti i poligoni sono stati esaminati
• è costoso, in genere si usa per scenari statici e viene pre-computato
• si cerca di creare alberi bilanciati, scegliendo poligoni che dividono circa a metà il sottospazio
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PA BSP trees
• strategia di scelta bilanciata:– si sceglie a caso un numero di candidati– oppure si sceglie quello il cui piano
suddivide meno poligoni
• è stato dimostrato che in una scena con 1000 poligoni, 5 poligoni scelti a caso bastano per creare un albero bilanciato
19PGTR aa 2010/2011
PA BSP trees
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• ordinamento secondo il punto di vista– dato il punto di vista l’albero può essere attraversato in ordine
secondo la direzione di vista, dal più lontano al più vicino
– si determina da che parte si trova il punto di vista rispetto al nodo corrente (radice corrente)
– i poligoni nell’altro semispazio sono dietro l’osservatore
– si cerca ricorsivamente nel semispazio visibile un nuovo piano che è più vicino al punto di vista
– si crea un ordinamento di poligoni dal più vicino al più lontano adatti a un algoritmo del pittore (non si usa lo z-buffer)
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AB
C
D
E
F
G
A
B C
D E F G
Ordinamento di occlusione (non di distanza):G C F A E B D
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Octrees
• simile a un AA BSP tree• suddivisione uniforme dello spazio: il
punto di divisione in tre piani ortogonali è sempre al centro del sottospazio
• gli oggetti sono sempre nei nodi foglia (criterio di terminazione)
• si tratta come AA BSP tree
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Scene graph
• Anche i grafi di scena possono essere usati per organizzare lo spazio
• oltre alla geometria possono registrare informazioni per il rendering e trasformazioni
• può essere organizzato ad albero• i nodi possono avere associato anche un BV• i nodi possono avere associato un intero
albero di qualunque tipo (organizzazione gerarchica di scene complesse con oggetti in movimento anche gerarchici: le trasformazioni sono nei nodi!)
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Livelli di dettaglio LOD
• usare versioni semplificate di un modello in funzione della distanza di osservazione
• spesso con LOD si usa effetto fog per mascherare i minori dettagli
• tre parti:– generazione dei LOD– scelta del LOD– switching tra LOD
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Livelli di dettaglio LOD
• la generazione dei modelli LOD avviene in fase di modellazione o in modo manuale o automatico con algoritmi di semplificazione
• la selezione del LOD avviene stimando l’area di schermo utilizzata, fissando soglie– si sfruttano anche criteri di percezione
visiva
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Livelli di dettaglio LOD
• lo switching può provocare effetti di popping
• diverse tecniche: – a geometria discreta, – blending, – alpha– CLOD e geomorphing
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Livelli di dettaglio LOD
• geometria discreta– si usano modelli a dettaglio differente e
distinti– quando necessario avviene lo switching– manifesta effetti di popping
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Livelli di dettaglio LOD
• blending– si può interpolare geometricamente tra i due modelli
ottenendo un blending– è costoso, si fa il rendering di due oggetti invece che di
uno solo– avviene solo per alcuni oggetti quindi il costo può essere
accettabile– ci sono problemi per l’ordine con cui gli oggetti vengono
trattati nello z-buffer (artefatti)– un modo per passare da LOD1 a LOD2 riducendo
l’effetto popping è di usare alpha buffer facendo crescere la visibilità di LOD2 e decrescere quella di LOD1
29PGTR aa 2010/2011
Livelli di dettaglio LOD
• alpha– gli oggetti sono tutti allo stesso LOD– in funzione dell’area schermo utilizzata si
controlla la trasparenza dell’oggetto: al crescere della distanza e al ridursi del numero di pixel coinvolti, la trasparenza dell’oggetto cresce (operando su alpha buffer) fino a scomparire
– dà luogo a un effetto gradevole e molto continuo, senza artefatti;
– accelerazione effettiva nel rendering si ha solo quando l’oggetto scompare (sotto la soglia di visibilità fissata)
30PGTR aa 2010/2011
Livelli di dettaglio LOD
• CLOD (continuous level of detail CLOD)– la semplificazione che si usa per generare
diversi LOD viene sfruttata animando il processo di semplificazione stesso
– si anima il collasso di ogni edge– se i valori intermedi vengono salvati il
processo si può invertire (vertex split)– richiede una precisa definizione del
numero di poligoni di ciascun livello
31PGTR aa 2010/2011
Livelli di dettaglio LOD
• geomorph– si crea l’insieme dei modelli a diversi LOD
conservando la connettività tra i vertici– al cambiare del LOD si sfrutta la connettività
per animare la trasformazione per interpolazione
– alla fine della trasformazione si opera solo sul nuovo LOD
– l’interpolazione ha un costo– gli oggetti sono in continua trasformazione
(con le texture questo è fastidioso)
32PGTR aa 2010/2011