GAME DEV: tools programming. Parte 1: tri-meshes

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1 GAME DEV: tools programming Parte 1: tri-meshes Marco Tarini Tipi di mesh Mesh superficiali Mesh di triangoli (o tri-mesh, o simpliciali) Mesh di quadrilateri (o quad-mesh) Mesh miste (quad e tri) Spesso, mesh prevalemtemente di quads (quad-dominant ) Mesh di poligoni Mesh volumetriche Mesh tetraedrali (o simpliciali 3D) Mesh exaedrali ( di cubi ) 1

2 Mesh di triangoli discretizzazione lineare a tratti di una superfice continua (un 2 manifold ) immersa in R 3 Componenti: 1. geometria i vertici, ciascuno con pos (x,y,z) un campionamento della superficie! 2. connettività come sono connessi i vertici (es.: in una tri-mesh, i triangoli) 3. attributi es: colore, materiali, normali, UV, temperatura Mesh triangolare (o mesh simpliciale) Un insieme di triangoli adiacenti facce vertici spigoli (o edges) 2

3 Mesh: intro GPU friendly Risoluzione (potenzialmente) adattiva Complessità = numero facce Mesh: cenni storici Da sempre, il dataset cardine della C.G. Costante aumento complessità Tecnologie base di creazione: anni 80: parametric surfaces (NURBS, splines) GSM / isosuperfici, CAD anni 90: scansione /acquisizione; superfici di suddivisione; semplificazione automatica; anni 00: on-card geometry amplification; computer vision anni 10: reverse engineering (semiregular quads) 3

4 Simplicial Meshes: complessità crescente Simplicial Meshes: complessità crescente

5 Simplicial Meshes: complessità crescente Ma in ambiente games LOW POLY MODELLING! M a r c o T a r i n i C o m p u t e r G r a p h i c s / 1 3 U n i v e r s i t à d e l l I n s u b r i a 5

6 Low Poly modelling low-poly models pixel art : (high-res) mesh = : (high res) images reminder: per tutti gli 80, il principale asset dei games é consistito in sprites/tiles in pixel art... Solomons s key (1986, Temco) on Z80 Metal Slug (1996, Nazca Copr), on Neo Geo (SNK) 6

7 Low-poly modelling M a r c o T a r i n i C o m p u t e r G r a p h i c s / 1 3 U n i v e r s by i t à Phillip d e l Heckinger l I n s u b (3D r i a modeller) Mesh editing: applicativi generici 3D Studio Max (autodesk), Maya (alias), Cinema4D (maxon) generici, potenti, completi Blender idem, ma open-source e freeware (simile a: Gimp VS. Adobe Photoshop per 2D images) MeshLab open-source, grande collezione algoritmi di geometry processing AutoCAD (autodesk), SolidWorks (SolidThinking) per CAD ZBrush (pixologic), Mudbox (autodesk) scultura virtuale, specializzato in ritocco manuale dettagli hi-freq, bumpmapping, normalmaps Wings3D open-source, piccolo, specializzato in low-poly editing, subdivision surfaces [Rhinoceros] parametric surfaces (NURBS) Sculptris Metafora scultura FragMotion specializzato per mesh animate + moltissimi strumenti per contesti specifici (editing di umani, di interni architetturali, di paesaggi, o editor specifici per game-engines, etc...) 7

8 Mesh editing: librerie VCG-Lib (CNR, it) Vision and Computer Graphic Lib OpenMesh (RWTH, de) CGAL (~INRIA, fr) Computational Geometry Algorithms Library tutte e tre: C++, open-suorce. Argomento molto vasto Un buon manuale: 8

9 Formati files per mesh (da xkcd.com) Formati files per mesh (una Torre di Babele!) 3DS - 3D Studio Max file format OBJ Another file format for 3D objects MA, MB Maya file formats 3DX Rinoceros file format BLEND Blender file format DAE COLLADA file format (Khornos) FBX Autodesk interchange file format X Direct X object SMD good for animations (by Valve) MD3 quake 3 vertex animations DEM - Digital Elevation Models DXF (exchange format, Autodesk's AutoCAD) FIG - Used by REND386/AVRIL FLT - MulitGen Inc.'s OpenFlight format HDF - Hierarchical Data Format IGES - Initial Graphics Exchange Specification IV - Open Inventor File Format Info LWO, LWB & LWS - Lightwave 3D file formats MAZ - Used by Division's dvs/dvise MGF - Materials and Geometry Format MSDL - Manchester Scene Description Language C4D Cinema 4D file format SLDPTR SolidWork "part" WINGS Wings3D object NFF - Used by Sense8's WorldToolKit SKP Google sketch up KMZ Google Earth model OFF - A general 3D mesh Object File Format OOGL - Object Oriented Graphics Library PLG - Used by REND386/AVRIL POV persistence of vision ray-tracer QD3D - Apple's QuickDraw 3D Metafile format TDDD - for Imagine & Turbo Silver ray-tracers NFF & ENFF - (Extended) Neutral File Format VIZ - Used by Division's dvs/dvise 3DML by Flatland M a inc. r c o T a r i n i [ G A M E - D E V ] V e r o n a VRML, VRML97 - Virtual Reality Modeling Language (RIP) X3D tentato successore di VRML PLY introdotto by Cyberware tipic. dati range scan DICOM Dalla casa omonima tipic. dati CAT scan Renderman per l'omonimo visualizzatore RWX RenderWare Object Z3D ZModeler File format etc, etc, etc... 9

10 Come definisco una triangle mesh? Una tri-mesh è un insieme di triangoli adiacenti Strutture dati? Modo diretto: un vettore di triangoli e per ogni triangolo tre vertici e per ogni vertice tre coordinate Ma: replicazione dati poco efficiente in spazio oneroso fare updates Esempio di file format : formato PLY Esempio: ply cubo.ply format ascii 1.0 comment proprio un cubetto element vertex 8 property float x property float y property float z element face 12 property list uchar int vertex_indices end_header <dati...> 10

11 Esempio di file format : formato OFF Esempio: # facce # edges LetteraL.off # vertici x,y,z 2ndo vert OFF indice 0 indice 1 indice 2 indice prima faccia: 4 vertici: con indici 3, 2, 1 e 0 Esempio di file format : formato PLY E' un formato digitale per mesh superficiali Può essere in binario, o in ASCII (testo) binario: più compatto e veloce da leggere ascii: direttamente leggibile con un editore di testo In ogni caso, comincia con un header in ASCII 11

12 E gli attributi? Tipicamente definiti: per vertice un attributo nella struttura di ogni vertice per faccia un attributo nella struttura di ogni faccia per wedge (vertice di faccia) tre attributi nella struttura di ogni faccia (caso più generico!) per edge (raro) Attributi più comuni: colore coordinate texture normali... Caratteristiche della connettività di una mesh Orientabile, non orientabile è possibile assegnare un orientamento ad ogni faccia coerentemente? orientabile = normali coerenti! A 1 1 D C senso opposto, edge coerente B 12

13 Mesh: strutture dati Strutture basate su half-edges V3 V4 V1 V5 V2 Mesh: task comuni Data una mesh: magari appena caricata trovare il AABB (axis aligned bounding box) utile ad esempio per translare e scalare l'oggetto opportunamente come si fa? (si itera sui vertici: trovare il max e il min di tutte le x, le y e le z) 13

14 Mesh: task comuni Data una mesh: magari appena caricata trovare le normali per faccia trovare le normali per vertice come si fa? che struttura serve? (FV? VF?) BASTA LA FV! 1 azzerare tutte le norm x vertice 2 iterare su ogni faccia: - trovare normale x faccia (normalizzata) - aggiungerla a normale dei tre vertici incidenti (FV) 3 iterare su ogni vertice: normalizzare normale x vertice Mesh: altri task Parametrizzazione assegnare una coppia di coordinate texture ad ogni wedge ci sono seams replicare i vertici oppure, memorizzale le text coord per wedge v u 14

15 Task: u-v mapping di una mesh ( u-v == s-t ) Assegnare una coppia di coordinate texutres ad ogni vertice della mesh In preprocessing t t s s M a r c o T a r i n i C o m p u t e r G r a p h i c s / 1 3 U n i v e r s i t à d e l l I n s u b r i a Problema difficile: u-v mapping ( u-v == s-t ) fatto a mano, oppure automatizzato M a r c o T a r i n i C o m p u t e r G r a p h i c s / 1 3 U n i v e r s i t à d e l l I n s u b r i a 15

16 Mesh: altri task Semplificazione automatica parametri: un errore massimo o un numero di facce obiettivo automaticamente mesh originale 500K triangoli mesh semplificata 2K triangles Semplificazione automatica p e r f o r m a n c e q u a l i t y 16

17 Semplificazione automatica Una piramide di Livelli di Dettaglio LOD 1 LOD 2 LOD 3 LOD 4 usare quando visto da vicino usare quando visto da lontano Semplificazione automatica Molte tecniche diverse Adattive oppure no usare piu' triangoli dove c'e' bisogno (es non nelle zone cmq piatte) oppure no Errore massimo introdotto: misurato e/o limitato oppure no Topologia: mantenuta oppure no Streaming Possibile Oppure no... 17

18 Detail preservation (o "texture for geometry") Idea: semplificare una mesh sintetizzare una tessitura per ripristinare il dettaglio perso durante la semplificazione 500mila triangoli detail recover TESSITURA fatta apposta (es. BumpMap) semplificazione automatica 2mila triangoli rendering sempre duemila triangoli, ma con texture mapping 18

19 originale 500K triangles semplificato simplificato ma con tessitura 2K triangles Mesh: task tipici nella game industry Semplificazione automatica LOD construction Light baking Precomputazione Luce Tipico esempio: Ambient Occlusion U-V mapping parametrizzazione Texturing creazione tessiture Rigging / Animation linear blend skinning 19