Аппаратный запрос проверки видимости

Удаление невидимых поверхностей
Дано:
• камера (наблюдатель)
• набор объектов
Проблема:
• объекты при
проектировании могут
закрывать друг друга
Задача • определить видимые
объекты
Классификация методов:
По способу представления объектов:
• полигональное
• аналитическое (явное или неявное) ( F(x,y,z) = 0 )
• параметрическое ( p = p ( t ) )
По пространству в котором проводится анализ
• Работаем в картинной плоскости - для каждого пиксела определить
видимый объект
• Работаем в трехмерном пространстве - определяем области видимости
По виду получаемого результата:
• значения на некоторой сетке (растровое представление)
• в виде объектов (аналитическое, точное представления)
Простейший случай - одно выпуклое тело
Если тело выпукло, то только
его лицевые грани могут
быть видны
n
v
(n,v) > 0
- лицевая грань
(n,v) < 0
- нелицевая грань
В случае одного
выпуклого объекта задача
полностью решена
Несколько выпуклых тел
n
v
Если тел несколько • все нелицевые грани не видны
• некоторые лицевые грани могут быть
закрыты лицевыми гранями других тел
Одного удаления нелицевых граней в этом не достаточно
Основные методы
• Метод трассировки лучей (ray casting)
• Метод буфера глубины (z-buffer, depth-buffer)
• Методы упорядочивания • алгоритм художника (Painter’s algorithm)
• использование BSP-деревьев
Трассировка лучей (ray casting)
Затраты - O(C*n)
for all pixels:
for all objects:
find intersection
compare z
Можно довести до - O(C*log n)
Может работать с широким классов
объектов - аналитические,
параметрические, CSG, объемные
z-буфер (буфер глубины)
(color, depth)
def init():
for p in screen:
p.color = (0,0,0)
p.depth = infinity
def putPixel(x, y, z, c):
p = screen [x][y]
color
if p.depth < z:
return
depth
p.color = c
p.depth = z
z-буфер (буфер глубины)
Ничего не выведено
Выведены объекты А, В и С
Выведен объект А
Выведены объекты А и В
z-буфер (буфер глубины)
++:
• Работает только с полигональными объектами
• Порядок вывода объектов не играет роли
• Аппаратно реализован на современных GPU
• Огромная скорость работы
--:
• Требует обработки всех объектов
Метод художника
• sort back-to-front
• draw sorted
draw C
draw B
draw A
Сортировка невозможна
A
B
C
Binary Space Partitioning (BSP) деревья
B
p4
p3
C
A
p0
E
p2
D
F
p1
Binary Space Partitioning (BSP) деревья
p0
B
p4
p1
p3
C
p3
A
p2
p0
E
p4
D
C
p2
E
D
F
B
F
A
p1
Binary Space Partitioning (BSP) деревья
p0
def buildTree( objects ):
plane = choosePlane ( objects )
left = []
right = []
p1
p3
p2
D
for p in objects:
code = plane.classify ( p )
if code == POSITIVE:
left.insert ( p )
elif code == NEGATIVE:
right.insert ( p )
else:
pp = p.splitBy ( plane )
left.insert ( pp [0] )
right.insert ( pp [1] )
p4
C
E
F
B
A
root
= BspNode
( plane )
root.left = buildTree ( left )
root.right = buildTree ( right )
return root
Binary Space Partitioning (BSP) деревья
• Не зависит от положения наблюдателя
• Разбивает все пространство на набор
выпуклых многогранников
• Обеспечивает быстрое
упорядочивания объектов для любого
положения наблюдателя
• Поддерживает упорядочивание backto-front и front-to-back
def render ( node, pos ):
if node.isLeaf ():
node.draw ()
return
code = node.plane.classify (p)
if code == POSITIVE:
render ( node.left, p )
render ( node.right, p )
else:
render ( node.right, p )
render ( node.left, p )
Сцена очень большая (миллионы объектов)
• Очень небольшая часть объектов видна
• Очень высокий overdraw
Необходимо как можно быстрее отбросить все
невидимое
Frustum culling
Occlusion culling
Occlusion fusion
Оптимизация проверок на видимость
Гораздо удобнее проверять не
по одному многоугольнику, а
по целой группе
Часто используемые тела:
• Axis-Aligned Bounding Box (AABB)
• Сфера
Опишем вокруг группы
близко расположенных
объектов достаточно
простое тело (Bounding
Volume)
Оптимизация проверок на видимость
Описанное тело не видимо
Вся группа объектов не
видна
Отбрасываем всю эту
группу
Оптимизация проверок на видимость
Построим по набору тел
дерево, у каждого узла свое ограничивающее тело
Получаем простой и
эффективный способ
отбрасывания
невидимых объектов
def render ( node ):
if ! isNodeVisible ( node ):
return
if isLeaf ( node ):
node.draw ()
else:
for c in node.children:
render ( c )
Оптимизация проверок на видимость
Эффективное
использование occlusion
culling и occlusion fusion
требует полной
информации о
попиксельной видимости
GPU occlusion test
Вся эта информация
лежит в буфере
глубины GPU
Переложим эти
проверки на GPU
Аппаратный запрос проверки видимости
z-buffer
Объект А не меняет
содержимое z-буфера, поэтому
он невидим по отношению к zбуферу
A
B
Объект В изменяет содержимое
z-буфера, поэтому он видим по
отношению к z-буферу
Аппаратный запрос проверки видимости
testObject - объект (обычно ограничивающее тело),
посылаемое для проверки: изменит ли его вывод содержимое
z-буфера (хотя бы для одного пиксела).
При этом не нужно менять ни буфер глубины, ни буфер цвета
(поскольку мы посылаем тестовый (пробный) объект
Расширение HP_occlusion_test
Аппаратный запрос проверки видимости.
Расширение GL_HP_occlusion_test
// запретить запись в буфера
// включить проверку
glDepthMask ( GL_FALSE );
glColorMask ( GL_FALSE, GL_FALSE,
GL_FALSE, GL_FALSE );
glEnable
( GL_OCCLUSION_TEST_HP );
// вывести (послать) тестовый объект
drawTestObject ();
// восстановить состояние
glDisable
( GL_OCCLUSION_TEST_HP );
glDepthMask
( GL_TRUE );
glColorMask
( GL_TRUE, GL_TRUE,
GL_TRUE, GL_TRUE );
// получить ответ на запрос
glGetBooleanv ( GL_OCCLUSION_TEST_RESULT_HP,
&objectVisible );
Аппаратный запрос проверки видимости.
Расширение GL_HP_occlusion_test
++:
• Аппаратная проверка с использование z-буфера
• Поддержка occlusion fusion
• Поддержка произвольных тестовых объектов
• Попиксельная точность
--:
• можно послать только один запрос (для следующего надо дожидаться
ответа на текущий)
• Синхронная обработка - прежде, чем продолжать, надо дождаться ответа
• Ответ только типа «Да/Нет». Даже если для объекта из 20К пикселов
виден всего один, то ответ будет - «Видим»
Аппаратный запрос проверки видимости.
Расширения GL_NV_occlusion_query и
GL_ARB_occlusion_query
• Можно послать только сколько угодно запросов (каждый
запрос имеет свой уникальный идентификатор)
• Есть возможность быстро проверить готов ли результат для
запроса по его идентификатору
• Ответ - количество пикселов, прошедших тест глубины
• Входит в OpenGL, начиная с версии 1.5
Аппаратный запрос проверки видимости.
Расширения GL_NV_occlusion_query и
GL_ARB_occlusion_query
unsigned query [N];
// получить идентификаторы для запросов
glGenOcclusionQueriesNV ( N, query );
.
.
send query [0]
// послать первый запрос
.
.
send query [1]
// послать следующий запрос
.
.
send query [N-1]
// послать последний запрос
.
.
// проверить готов ли результат первого запроса
glGetBooleanv ( query [0], GL_PIXEL_COUNT_AVAILABLE_NV, &res );
if ( res )
// получить результат первого запроса
glGetIntegerv ( query [0], GL_PIXEL_COUNT_NV, &count );
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости.
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости.
for col in range ( cameraCol, infinity):
for cell in col:
sendQuery ( cell )
if queryReady:
if cellVisible:
drawCell
if noMoreQueries:
break
if all cells invisible:
return
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости. Иерархии.
Использование иерархий (различных деревьев), позволяет
крайне эффективно отбрасывать невидимые объекты сразу
большими группами
kD-дерево - на каждом шаге строим ААВВ вокруг
имеющихся в узле объектов и разбиваем его вдоль наиболее
длинного его ребра на две части
=> получаем двоичное дерево
Обратите внимание, что один и тот же
объект может входить сразу в несколько
узлов дерева, т.е. Нет необходимости
разбивать объекты
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости. Иерархии.
def render ( node ):
q = queryVisibility ( node )
if !q.isVisible:
return
if isLeaf ( node ):
node.draw ()
else:
render ( node.c [0] )
render ( node.c [1] )
--:
При посылании запроса мы ждем
окончания его обработки для
продолжения работы.
Ответ будет когда очередь в GPU
дойдет до нашего запроса. Все это
время простаивает CPU и не
поступаю новые команды в очередь
GPU
=> Выполним проверку на
видимость GPU будет ждать
поступления новых команд
=> Теперь простаивает GPU
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости. Иерархии.
L
Фактически возможности расширения использовались
очень слабо - запросы посылались по одному и работа
продолжалась по получении ответа на запрос
J
Будем обходить дерево не в глубину, а в ширину - тогда
можно сразу посылать много запросов про ряд узлов и
по мере получения ответа обрабатывать узлы и
посылать новые запросы
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости. Иерархии.
Для большинства задач видимость в от
кадра к кадру практически не меняется
J
• Будем считать, что узел остается видимым N кадров
после проверки
• Сразу выведем узлы, видимые в предыдущем кадре
• Для тех из них, видимость которых проверялась
больше чем N кадров назад пошлем запрос на
видимость
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости. Иерархии.
Для каждого выведенного узла пошлем запрос на
видимость для его ближайшего «родственника» «брата», «Дяди» и т.д.
(Родительский узел проверять смысла нет - он
видим, так как видим его дочерний узел)
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости. Иерархии.
Уже выведенные узлы
Узлы, для которых
сейчас будет послан
запрос
Пример использования аппаратных
запросов проверки видимости. Иерархии.
Мы одновременно обрабатываем большое количество
запросов и выводим объекты, т.е. избегаем простоев как
CPU, так и GPU.
Количество обрабатываемых объектов в общем случае
пропорционально количеству реально видимых объектов