richiedono basso carico poligonale sulla pipeline Metodi conservativi e non conservativi

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1 Real Time rendering Requisiti real-time richiedono basso carico poligonale sulla pipeline Metodi conservativi e non conservativi Tecniche di culling (conservative) Tecniche di semplificazione (non conservative) Tecniche di Image Based Rendering (ibride)

2 Tecniche di culling Principio delle tecniche di culling (conservative): Non far giungere alla rendering pipeline i poligoni non visibili: Perchè nascosti da altri poligoni (Backface( culling) Perchè fuori dal volume di vista (Viewfrustum( culling) Perchè nascosti da altri oggetti (Occlusion( culling)

3 BackFace

4 Backface culling Ogni poligono è associato ad una normale che ne specifica l orientamento Il poligono è detto: Frontfacing,, se la normale è rivolta verso l osservatorel Backfacing,, se la normale è rivolta in verso opposto Per oggetti convessi racchiusi da una superficie poligonale chiusa, i poligoni backfacing sono nascosti da quelli frontfacing V = Visibile I = Invisibile

5 Backface culling Rispetto ad un determinato punto di vista SOLO alcuni poligoni sono frontfacing (circa il 50 %) Eliminando questi poligoni teoricamente il miglioramento dell efficienza efficienza sarebbe dunque di un fattore 2 Nella pratica il risparmio è inferiore perchè si può conoscere l orientazione l del poligono solo dopo le trasformazioni geometriche (a metà della pipeline)

6 Backface culling hardware Le moderne architetture HW implementano un efficiente test di backface Questo test permette di scaricare i poligoni backfacing prima della fase di Illuminazione Il test è un semplice prodotto scalare fra la normale al poligono (Np)( ) e la direzione di vista (D): B = Np. D B<0 Poligono frontfacing B>0 Poligono backfacing Np

7 Backface culling software Sarebbe preferibile individuare i poligoni backfacing prima di arrrivare alla pipeline Tecniche software per effettuare il test prima dei calcoli geometrici Efficienti se usano strutture gerarchiche costruite in una fase di preprocessing NORMAL MASKS (Zhang e Hoff,, 1997) Fase di preprocessing (costruzione delle normal masks) Fase di run-time (esecuzione del test)

8 BF culling: Normal Masks Clusterizzazione delle normali (pre( pre-processing): Bounding cube sulla sfera di raggio unitario Suddivisione del cubo in una griglia N x N x 6 Proiezione della griglia sulla sfera La partizione della sfera è NON uniforme, ma efficiente: l appartenenza di una normale ad un settore è una semplice intersezione raggio-cubo Le celle del bounding cube vengono proiettate sulla superficie della sfera. Ogni cella proiettata forma un cluster di normali

9 BF culling: Normal Masks Backface Test (Run( Run-Time): Ad ogni frame si calcolano i CLUSTER backfacing Un cluster è backfacing se TUTTE le normali in esso contenute sono backfacing Nella pratica si testano solo gli estremi: i 4 angoli della cella Si costruisce una bitmask per ogni cluster (6xN 2 bit di cui uno solo ad 1 -> > ottimizzabile) e la si associa ad ogni poligono. Per ogni frame si costruisce la backmask - bitmask dei cluster backfacing (OR delle relative bitmask) Per ogni poligono il test è un semplice AND logico (il prodotto scalare è più costoso) es n=1, poly P i ha normale N i con bitmask backmask= > > P i è backfacing

10 BF culling: Normal Masks Restano i 4 prodotti scalari per ogni cluster,, uno per ogni normale all angolo angolo della cella Non esiste altro modo per sapere se una normale è back facing? Proviamo a vedere se, data una direzione di vista, possiamo, a priori, determinare un fascio di direzioni che siano SEMPRE backfacing Tecnica conservativa :: non elimina tutti i possibili poligoni backfacing ma li screma. Gli altri verranno eliminati dall HW grafico con il backface culling integrato.

11 BF culling: Normal Masks Fast backfacing test: - Proiezione parallela: 180 attorno alla Dvista backfacing a priori - Proiezione prospettica: Si individua un angolo analogo (180-FOV) comunque backfacing Proiezione prospettica: Si considera la proiezione prospettica come se fosse un cono di infinite proiezioni parallele Lungo ogni possibile direzione c èc un angolo di 180 backfacing L angolo comune a tutte le possibili direzioni è backfacing a prescindere dalla posizione dell oggetto nel FOV

12 ViewFrustum

13 Viewfrustum culling Le primitive geometriche che non rientrano nel volume di vista (ViewFrustum( ViewFrustum) ) non sono visibili dall osservatore Si possono individuare queste primitive e non farle arrivare alla pipeline di rendering

14 Viewfrustum culling CLIPPING Eliminazione dei triangoli che non rientrano nel volume di vista (anche di porzioni di essi) Efficiente tecnica HW Avviene negli ultimi stadi della pipeline Non riduce il carico poligonale sull HW grafico

15 Viewfrustum culling E un Clipping anticipato,, allo scopo di ridurre la lista di poligoni sulla pipeline La geometria è divisa in due porzioni: Inside Viewfrustum (visibile) RENDERED Outside Viewfrustum (invisibile) CULLED VF semplice: Per ogni poligono si effettua il test di inclusione nel VF Inefficace per un alto numero di poligoni Necessità dell uso di Scene Graph osservatore

16 Viewfrustum culling VF gerarchico: Test effettuato sulla cella (Bounding Volumes o nodo dello SG) Se la cella è TUTTA FUORI del VF, lo sono tutti i poligoni racchiusi CULLED Se è TUTTA DENTRO il VF, lo sono tutti i poligoni racchiusi RENDERED Se è PARZIALMENTE dentro il VF: Test sulle celle di livello inferiore Se siamo all ultimo livello: Test sui singoli poligoni (non efficace) Marcare RENDERED tutti i poligoni (non efficace ma veloce se sono o pochi)

17 Viewfrustum culling Frame to Frame Coherence: Oggetti non visibili in t, saranno probabilmente non visibili anche in t+ t Test di coerenza rispetto a traslazione ( d)( ) e rotazione ( θ( θ) del viewpoint: BS d BS θ d < distanza Ancora fuori d > distanza Check direzione, poi Eventualmente check VF θ in direzione contraria Ancora fuori θ in direzione concorde Check VF

18 VF test Un entit entità è fuori dal VF se è dietro almeno uno dei 6 piani del VF Considerando i piani orientati con normale verso l interno l del VF: Per un punto: distanza dal piano < 0 Per una sfera: distanza centro dal piano < - r Per un box: distanza dei sei vertici < 0 (serve controllarli tutti?) BB BS BS BB BB BS Calcolare le distanze può essere rognoso (le eq. di questi piani sghembi...) però:

19 Frustum in Clip Space La trasformazione projection trasforma il viewing frustum in un cubo di vertici (±1, 1,±1, ±1) (clip space) I piani nel Clip Space sono facili da calcolare: n x, n y and n z valgono 1 o -1. Uno solo è non zero, gli altri valgono zero. d vale 1. Usando la matrice di projection, posso trasformare i punti da controllare in clip space ed effettuare i test molto velocemente! Alternativamente posso lavorare in eyespace antitrasformando i piani (molto elegante )

20 Occlusion

21 Occlusion culling Alcune primitive, pur essendo front-facing facing e rientrando nel VF, possono essere occluse da primitive appartenenti ad altri oggetti Z-Buffering Occlusione testata a livello di pixel Per ogni (x,y,z) nello WindowSpace,, si confronta il valore con quello presente nello z-buffer z relativamente alla posizione (x,y) Se la z è minore, il punto è occluso Anche in questo caso: Si effettua a VALLE della pipeline Farebbe comodo elimare gli oggetti occlusi PRIMA della pipeline Attenzione: solitamente gli algoritmi di Occlusion sono pesanti,, vale la pena usarli solo per modelli MOLTO complessi

22 Occlusion culling: : HOM Hierarchical Occlusion Map (Zhang, Fase di preprocessing: Zhang, Manocha,, Hudson e Hoff 1997) Individuazione degli OCCLUDER (probabili( occlusori) Abbastanza grandi,, non troppi poligoni Creazione del db degli OCCLUDER A run-time se ne estraggono alcuni,, a seconda di dimensione e distanza dal VP Per ogni oggetto va effettuato il depth test,, per verificare se è dietro un occlusore

23 Occlusion culling: : HOM Testare tutte le occlusioni può costare troppo! Fase di run-time time: Tracciamento in bianco dei soli occlusori si ricava una mappa gerarchica (cluster( 2x2, colore medio tra i 4: tonalità di grigio) Confronto della proiezione dei BV degli oggetti con la mappa (si comincia dal livello più approssi- mato): Se la proiezione cade tutta in una zona bianca, l oggetto PUO essere occluso, e si passa al depth-test test Se anche solo un pixel è NON-bianco bianco,, si passa al livello di mappa immediatamente superiore Il depth test viene effettuato SOLO sugli oggetti che, in qualche livello, occupano una zona bianca (potenzialmente occlusi) Si può effettuare un culling aggressivo (non conservativo), stabilendo una soglia di grigio che venga equiparato al bianco

24 Occlusion culling: : HOM

25 Occlusion culling: : HOM Depth-test test minimale: si testa su un piano subito dietro gli occlusori.. Se l oggetto l è al di làl è occluso.

26 HP Occlusion Test (1) Oggi esistono meccanismi integrati nell hardware grafico Il loro funzionamento è illustrato per cultura (chi vuole cimentarsi?)?) Ashu Rege

27 HP Occlusion Test (1) Extension name: HP_occlusion_test Provides a mechanism for determining visibility of a set of geometry After rendering geometry, query if any of the geometry could have or did modify the depth buffer. If occlusion test returns false,, geometry could not have affected depth buffer If it returns true,, it could have or did modify depth buffer Ashu Rege

28 HP Occlusion Test (2) All this verbiage basically means that your object is not visible if the test fails (returns false) It is visible if the test passes (returns true) in usual circumstances That is, e.g., you haven t t turned off the depth mask or color mask Typical usage: Render bounding box for target geometry. If test fails, you can skip the geometry altogether. Ashu Rege

29 HP Occlusion Test - Limitations Returns a simple TRUE or FALSE Often useful to know how many pixels were rendered Uses a stop-and-wait model for multiple tests Driver has to stop and wait for result of previous test before beginning next test Mediocre performance for multiple tests Does not exploit parallelism between CPU and GPU Ashu Rege

30 NV Occlusion Query (1) Extension name: NV_occlusion_query Solves problems in HP_occlusion_test Returns pixel count the no. of pixels that pass Provides an interface to issue multiple queries at once before asking for the result of any one Applications can now overlap the time it takes for the queries to return with other work increasing the parallelism between CPU and GPU Ashu Rege

31 NV Occlusion Query How to Use (1) (Optional) Disable Depth/Color Buffers (Optional) Disable any other irrelevant non-geometric state Generate occlusion queries Begin i th occlusion query Render i th (bounding) geometry End occlusion query Do other CPU computation while queries are being made (Optional) Enable Depth/Color Buffers (Optional) Re-enable enable other state Get pixel count of i th query If (count > MAX_COUNT) render i th geometry Ashu Rege

32 Example Incremental Object-Level Previous example was rather naïve Rendering a bounding box will cost you fill Need to be more intelligent in how you issue queries! Big win if you use query for object that you were going to render in any case If you have too many objects and want to avoid generating too many queries, you can skip the occlusion queries for visible objects for the next few frames. (For occluded objects you still have to test in case it has become visible.) Ashu Rege

33 Portal

34 Potentially Visible Sets Tecnica a più alto livello, per ambienti architettonici Nuova suddivisione dell ambiente in CELLE: Volume di spazio (di solito BOX) PORTALE: Area 2D che connette due celle Negli ambienti architettonici: CELLA = Stanza PORTALE = Porta o Finestra (caso particolare: SPECCHIO) Due celle si possono vedere attraverso un portale Potentially visible set: Insieme delle celle visibili da un certo punto di vista

35 Potentially Visible Sets Cella attiva: cella in cui si trova l osservatorel La cella attiva fa parte del PVS Le celle visibili dalla cella attiva (quelle connesse da un portale che rientra nel VF) fanno parte del PVS Le celle che non fanno parte del PVS possono essere tagliate!!! La visibilità delle celle interne al PVS va studiata con le tecniche standard Non adatto per tutti i modelli PVS generalizzati: combinazione con BSP-trees