Computer Graphics. Se non si vede, che non ci sia CULLING. Tipi di Culling. Notazione. Occlusion culling

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1 Computer Graphics Lezione 6: culling: se c è ma non si vede! Università dell Insubria Facoltà di Scienze MFN di Varese Corso di Laurea in Informatica Anno Accademico 2011/12 Marco Tarini Se non si vede, che non ci sia CULLING cioè: non perdiamo tempo a renderizzare ciò che non si vede buttiamo via le primitive che non cambiano la scena o, che non la cambiano abbastanza facciamolo il prima possibile! (nel pipeline) i chiaro?! (o, o...) Notazione Lo chiamiamo culling se si scartano primitive intere o interi gruppi di primitive Se una primitiva viene spezzata in una parte visibile e una no, lo chiamiamo clipping Se è un frammento ad essere scartato, si tratta di testing Tipi di Culling quale ci fa piu' gola? Il culling può essere quindi é chiaro che la scelta non é fra HW e SW, ma fra solo HW ed entrambi Eseguito dall'hardware in GPU molto efficiente (overhead piccolo) ma scarta tardi, e una primitiva alla volta spesso una funzionalità hard-wired Eseguito dall'applicazione (SW) richiede algoritmi e strutture dati appositi ogni cull può essere oneroso (overhead) ma scarta primitive presto e a gruppi! Il culling può essere Conservativo scarta solo se è sicuro che il risultato non cambia si accetta il rischio di processare anche cose che alla fine non saranno visibili Non Conservativi scartano seguendo un'euristica si accetta il rischio di NON disegnare qualcosa che (in parte) era visibile! casomai, non succede nulla. Si è solo spercato un po di calcolo GPU quando succede, si produce un incongruenza nel renering, cioè un... 1

2 ..."artefatto"! un difetto di modelling: discrepanza fra quello che si intende modellare e il modello 3D usato di rendering: discrepanza fra modello 3D e immagini renderizzate..."artefatto"! esempi di artefatti di rendering es di Artefatto di modelling: questo lago è modellato da un campo di altezza che presenta uno scalino non si vede... perchè coperto da qualcos'altro Backface Culling Un caso particolare di Occlusion Culling Idea: ipotesi: e opaca non vedrò mai l'interno! Backface Culling Un caso particolare (e facile) di Occlusion Culling Idea: ipotesi: e opaca non vedrò mai l'interno! qualunque faccia si veda da dietro (back-facing triangles) finirà per forza occlusa alla vista da (almeno) un layer di facce viste da davanti (front-facing triangles) posso scartare tutte i back-facing triangles Concetto BASE di questo corso Vettore normale ortogonale ad un piano o ad un un poligono detto anche "vettore" normale detto anche NORMALE (al/del piano) n^ In pratica: normale == orientamento Nota: a rigore di termini, vettore normale = vettore con norma 1 2

3 Come si trova la normale di un triangolo? Traingolo front-facing Traingolo back-facing "che ci dà le spalle" view dir view dir v 1 n^ v 2 v 0 v 2 v 0 n^ v 1 (HW) Backface Culling: dove? QUI. (nella fase di set-up che precede la rasterizzazione dei ) (HW) Backface Culling: quanto? (HW) Backface culling: quando? Non posso usarlo sempre! devo sapere a priori che l'oggetto è chiuso primitive qui occlusion culling ON / OFF...ma solo da questo punto in poi! scarto circa il 50% delle facce... Lo speed-up? x2? stato di OpenGL tutto il pipeline HW di rendering (proiezione,, rasterizzazione...) s (HW) Backface culling: come? Attivare e disattivare: glenable( GL_CULL_FACE ); gldisable( GL_CULL_FACE ); Tutti questi comandi cambiano solo lo stato. "non fanno nulla sullo schermo" Decidere se scartare le front o le back-facing : glcullface(gl_front ); glcullface(gl_back ); Quale sarà il default? Quando è utile cambiarlo? (HW) Backface culling: note Test conservativo se valgono le ipotesi Usa (implicitamente) la normale geometrica cioè la normale effettiva del triangolo non: la normale che potremmo definire noi (arbitrariamente) come attributo (dei vertici) in realtà, basta determinare in che ordine appaiono i tre vertici sullo schermo: es: orario backfacing antiorario frontfacing default di OpenGL 3

4 (HW) View-frustum culling Dato una primitiva triangolo, segmento, punto E' dentro il view frustum? (o parzialmente dentro conservativi!) Meglio fare il conto nelle Normalized Device Coords [-1,+1] x [-1,+1] x [-1,+1] (non a caso dette anche Clip Coords) z y x (HW) View-frustum Culling: dove? Idea: farlo prima di mandare nel pipeline di rendering Dividere la scena in blocchi è nata già divisa nella maggior parte dei casi (v. scenegraph)...di nuovo, solo da questo punto in poi! Ma ora possiamo agire dall'inizio! Posso scartare moltissimo della scena! perché così sarà possibile scartare (=to cull ) interi blocchi alla volta! Problema: bisogna fare culling prima delle proiezioni come sono i piani? view frustum top plane : test di un singolo poligono Nelle coordinate oggetto (o mondo)! 6 test con 6 piani del view frustum! near plane right plane bottom plane far plane left plane Ripasso di geometria: i piani... vettori (nx,ny,nz,k) 4

5 Oltre al un poligono alla volta : bounding volumes bounding volume dell oggetto X = semplice forma che stima (per eccesso) il volume occupato da X Precomputato per ogni oggetto della scena Strumento molto utile in cg. Esempi di applicazione: collision detection (in games, bounding volumes detti anche hit-box) ray-tracing e, appunto, culling (view frustum, etc) bounding volumes Tipi di bounding volumes: Axis Aligned Bounding Box (A.A.B.B.) (generic) Bounding Box Discrete Oriented Polytope (D.O.P.) Bounding sphere Bounding ellipsoids (axis aligned or not) Bounding cylinders Difetti e pregi quanto sono onerosi da pre-computare? quanto sono aderenti? sono robusti a rotazioni? quanto sono onerose le query (es.: di intersezione)? esempio 1/3: gerarchia di bounding spheres esempio 2/3: intersezione sfera view frustum Sfera centro c raggio r Test con un piano p (con normale normalizzata) Facile! pc > r sfera tutta al di qua del piano pc < -r sfera tutta al di là del piano altrimenti: sfera mezza dentro e mezza fuori Test contro view frustum: testare tutti e 6 i piani esempio 3/3 : algoritmo finale Test effettuato con la Bounding sphere della cella se è TUTTA FUORI del VF CULL se e è TUTTA DENTRO il VF, RENDER tutta la cella se e è PARIALMENTE dentro il VF: Se siamo all ultimo livello: RENDER Altrimenti: Test sulle celle di livello inferiore 5

6 Occlusion Culling Una forma molto importante di culling Scarta moltissimi poligoni tutti quelli che compongono il "mondo" Ma dove attuarla? richiede info globali, su tutta la scena Cell-Based Occlusion-Culling (software) Idea base: Preprocessing: dividere il mondo in celle collegate da "portali" calcolare per ogni cella il "PVS PVS" di solito molto oneroso computazionalmente PVS = Potentially Visible Set cioe' la lista di celle che sono visiblili da quella cella Rendering: trova la cella x dove è l'occhio rendering solo delle celle nel PVS di x dentro il view frustum vediamo degli esempi Struttura: BSP-tree (Binary Spatial Partitioning tree) Obiettivo: circa stesso numero di primitive in ogni cella Quad-Tree (in 2D, o 2.5D es. campi d'altezza) Oct-Tree (in 3D partizione di un volume) stesso obiettivo il mondo il mondo (2D) Quad-Tree esempio frame buffer James Stewart, School of Computing, Queen's University, Kingston, Ontario mondo diviso con quad tree celle con bordo bianco sono nel view frustum ma non sono nel PVS: CULLED 6