Descarte por visibilidade Paulo Ivson 21-10-2008.

Descarte por visibilidade

Paulo Ivson

21-10-2008

Temos site!

www.tecgraf.puc-rio.br/~psantos

Aulas Códigos fonte Exemplos Bibliotecas Material de pesquisa (e.g. papers)

http://www.tecgraf.puc-rio.br/~psantos

Sumário

Motivação Vdlib Descarte contra o volume de visão Descarte por oclusão Resultados de desempenho

Motivação

Por que visibilidade?

Motivação

P-38 90.871 objetos 4.717.749 vértices

Motivação Eliminar objetos não-visíveis para o observador

Não contribuem para a imagem final Diminuir quantidade de dados transferidos Reduzir processamento no hardware

Vdlib Visibility Determination Library

http://www.tecgraf.puc-rio.br/~psantos/software/vdlib.7z

Volumes envolventes AABB OBB

Construção de hierarquia Kd-tree, média das geometrias

Descarte por visibilidade Volume de visão Oclusão

http://www.tecgraf.puc-rio.br/~psantos/software/vdlib.7z

Descarte contra o volume de visão


Objetivo Identificar objetos fora do frustum de visão Seriam descartados no HW (teste de clipping)

Efetuar teste na CPU Antes de enviar geometria para GPU

Qual teste podemos fazer?


Frustum Tronco de pirâmide Pode ser definido pela interseção de 6 planos

Near, far, left, right, top, bottom

Convenção: planos orientados para dentro Como testar uma geometria?

Testar seu volume envolvente! Determinar se este se encontra dentro ou fora do

frustum


Se volume envolvente está totalmente fora Descartar geometria

Senão, continuar testando outros planos

Como obter planos do frustum?

A partir da matriz projection Plano definido no espaço do olho

A partir da matriz view * projection Plano definido no espaço global

Idéia Obter planos a partir do espaço de clipping Cubo → maís fácil de extrair planos

Vide aula de pipeline de geometria Material no site

Seção “Frustum Culling”

Teste AABB x Plano p-vertex

p = (xmin,ymin,zmin)

if (normal.x >= 0)

p.x = xmax;

if (normal.y >=0))

p.y = ymax;

if (normal.z >= 0)

p.z = zmax;

n-vertexn = (xmax,ymax,zmax)

if (normal.x >= 0)

n.x = xmin;

if (normal.y >=0))

n.y = ymin;

if (normal.z >= 0)

n.z = zmin;

Teste AABB x Plano

Se p-vertex está do lado negativo Caixa está totalmente fora

Se n-vertex está do lado positivo Caixa está totalmente dentro

Teste OBB x Plano

Descrever plano no espaço local da caixa n: normal do plano b: base ortonormal da OBB

nb = (bx . n, by . n, bz . n)

Usar nb para determinar n-vertex e p-vertex

Teste OBB x Plano (2) Separating Axis

“Two convex curves will not curve around each other. Thus, if separated there will be a gap into which a plane can be inserted. A separating axis is a line perpendicular to this plane. Objects projected on the axis give non-overlapping intervals if objets do not intersect.”

No caso da OBB x Plano O plano de separação é paralelo ao plano sendo

testado O eixo de separação é paralelo à normal do plano

sendo testado

Teste OBB x Plano (2)int IntersectionBetween( const Plane& plane, const Box& box ){

const float projectedCenter = DistanceBetween( box.center, plane );const float projectedRadius = abs( plane.normal.dot( box.axis[0] ) * box.extents[0] )+

abs( plane.normal.dot( box.axis[1] ) * box.extents[1] ) + abs( plane.normal.dot( box.axis[2] ) * box.extents[2] );

// Totally insideif( projectedCenter >= projectedRadius )

return +1;

// Totally outsideif( projectedCenter <= ( -projectedRadius ) )

return -1;

// Intersectedreturn 0;

}

Otimizações

Evitar testar todos os planos contra todos os volumes envolventes

De um quadro para o outro, câmera não costuma se mover bruscamente

Será que podemos agrupar testes? Idéia: hierarquias!

Coerência temporal

Para cada geometria, guardar índice do último plano a descartá-la

Testar primeiro este plano Boa chance de descartar novamente geometria

Coerência espacial

Dado um conjunto de geometrias Se seu volume envolvente está totalmente fora de

um plano, descartar todas as geometrias Se seu volume envolvente está totalmente dentro

de um dos planos, não testar volumes menores contra este plano Se totalmente dentro do frustum, não é preciso testar

contra nenhum plano

Senão, é necessário testar volumes menores

Coerência espacial

Construir hierarquia de uma cena Testar volume envolvente do nó pai Guardar máscara de quais planos ainda precisam

ser testados Ao visitar nó filho, verificar máscara do nó pai

Se indica que está totalmente dentro do frustum → não testar nenhum plano

Se indica que está totalmente dentro de um plano → não testar este plano

Atualizar máscara para continuar percurso na hierarquia

Outras otimizações possíveis

Octantes Identificar qual octante um volume envolvente se

encontra Testar somente contra 3 planos

Translações e rotações Identificar objetos que permenecerão fora do

frustum Projetar translação da câmera ao longo da normal

do plano Guardar direção de rotação da câmera

Descarte por oclusão


Cenas complexas → muitos objetos → oclusão


Cells, Portals e PVS Pré-computar visibilidade de regiões no espaço


Shadow Frusta

Hierarchical Z-Buffer

Hierarchical Occlusion Maps


Descarte coerente hierárquico Utilizar placa gráfica para determinar oclusão

Occlusion queries

Explorar coerência temporal Explorar coerência espacial

Mais uma vez Volumes envolventes! Hierarquias!

Occlusion Queries

Extensão do OpenGLint glCreateQuery( num )

void glBeginQuery( id, OCCLUSION_QUERY )

Draw();

void glEndQuery()

void glGetQueryObject( id, GL_NUM_SAMPLES_PASSED, int* )

Retorna número de pixels que seriam gerados Draw() passa pelo pipeline convencional

Occlusion Queries

Paradoxo Precisamos desenhar para saber oclusão Mas queremos saber oclusão para saber se vamos

desenhar

Occlusion Queries


desenhar

Solução Desenhar volume envolvente!

Occlusion Queries


desenhar

Solução Desenhar volume envolvente! Mas e a imagem final?

Occlusion Queries


desenhar

Solução Desenhar volume envolvente! Mas e a imagem final? “Fingir” que vai desenhar!

Desligar escrita no framebuffer: glColorMask( false )

Considerações Se vamos desenhar volumes envolventes

Deve ter baixo custo para desenhar Usar caixas: 8 vértices, 12-14 triângulos Não usar esferas ou volumes mais complexos

Ajuste do volume é importante! Usar AABB ou OBB? Ajuste ruim → falsos positivos

Renderização de frente-para-trás Potenciais oclusores primeiro Fila de prioridade

Occlusion query tem overhead?

Problema crítico Sincronização CPU e GPU

Sincronização CPU ↔ GPU

CPU Stalls e GPU Starvation

Ocupar CPU e GPU!

Descarte coerente hierárquico

Algoritmo hierárquico Percurso de frente-para-trás Análogo ao descarte contra volume de visão Caso volume seja descartado

Descartar subárvore do nó correspondente Continuar em um irmão ou ancestral

Desafios Gerenciar envio de occlusion queries Obter somente os resultados já disponíveis Minimizar stalls e starvation


Coerência temporal Assume movimentos suaves do observador Nós previamente visíveis continuam visíveis

Não esperar resultados de visibilidade Já renderizar assumindo coerência temporal

Adiar classificação de um nó interno Marcar como invisível por default Atualizar de acordo com visibilidade dos filhos Pull-up visibility


Para cada nó visitado Interno previamente visível

Visitar sub-árvores Marcar como invisível por default

Interno ou Folha previamente invisível Enviar query para volume envolvente Armazenar teste em uma fila Continuar caminhamento em irmão ou ancestral

Folha previamente visível Renderizar geometrias enviando uma occlusion query


Como obter resultados evitando CPU stalls e GPU starvation?

Simples!

Enquanto caminha na hierarquia Obter resultados conforme tornam-se disponíveis Se resultado for “visível”

Pull-up visibility Renderizar geometrias (folha) Visitar sub-árvores (nó interno)

Intercalar Visita de um nó da hierarquia Obtenção de resultados já disponíveis

Algoritmo

enquanto não terminou caminhamento ou existem queries pendentes

enquanto existem queries com resultado disponível, ou se caminhamento já acabou

obter resultado da occlusion query do início da fila (mais antiga)

se visivel

pull-up visibility, renderizar geometrias e adicionar filhos à fila de prioridade

se já terminou caminhamento, continue. Senão, obter próximo nó a ser visitado

se nó está totalmente fora do volume de visão, continue

se nó intercepta o plano near

pull-up visibility, renderizar geometrias e adicionar filhos à fila de prioridade

senão se nó era previamente visível

se nó é interno

adicionar filhos à fila de prioridade

senão

renderizar geometrias efetuando uma occlusion query

senão

efetuar occlusion query para volume envolvente

Possíveis melhorias

Caminhamento terminou E ainda existem occlusion queries pendentes CPU Stalls!

Renderizar especulativamente Adiar atualização de visibilidade

Possíveis melhorias Muitas occlusion queries por quadro

Mesmo com hierarquia Depende da cena e divisão espacial

Estimar visibilidade Nós continuam de fato visíveis no quadro atual? Sim!

Propostas Queries somente de tempos em tempos Histórico de visibilidade de cada nó Probabilidade Movimento da câmera Outras

Resultados

Configuração de Testes

Windows XP Professional Microsoft Visual Studio 2003 .NET

Athlon XP 3800+ (2.4 Ghz) 2 Gb RAM DDR2 800 MHz NVIDIA GeForce 7800 GT 256 Mb (PCI-E)

Cenas de Teste

Teapots(n,s) 1.364 vértices 2.781 índices

Cenas de Teste

P-38 90.871 objetos 4.717.749 vértices

Testes Volumes envolventes

AABB ~ OBB Clássica Melhor custo x benefício

OBB Aproximada Mínima

tempo área tempo área tempo área tempo áreaAABB 0,00 27,88 0,00 6.306,58 0,15 10.623,51 1,59 10.835,00Covar 0,00 27,48 0,00 3.304,90 0,17 13.117,38 1,78 13.928,76

Hull_Covar 0,02 26,97 0,12 3.657,13 17,92 13.413,87 164,91 15.149,93Hull_Unif_1 0,02 27,65 0,13 5.652,73 17,99 11.927,99 164,78 13.253,46Hull_Unif_2 0,02 27,41 0,12 3.426,37 17,88 13.298,16 166,89 12.786,44Hull_Unif_3 0,02 25,71 0,12 13.897,29 17,85 31.878,56 164,98 36.239,65Min_Aprox 0,02 22,84 0,10 3.069,29 14,68 10.581,23 206,01 10.802,03

Min_Aprox_GA 2,19 22,71 2,70 3.033,52 102,51 10.581,15 1.351,43 10.802,03Min_Aprox_G 7,35 22,70 42,47 3.030,00 6.886,68 10.581,23 - -

Teapots(5000,10)Teapots(1,10) Teapots(5,10) Teapots(500,10)

Testes

AABB Clássica Aprox. Mín. Melhor

AABB Clássica Aprox. Mín.

Testes

Fecho (OBB-Tree) Fecho (Centróides) Fecho (Área)

Testes Occlusion Queries

tTesteDisp: Apenas um teste de disponibilidade Desprezível

tDisp: Tempo para resultado disponível Proporcional à complexidade geométrica

tDispObt: Resultado disponível + obtenção Obter resultado é desprezível

No. Teapots tTesteDisp tDisp tDispObt1 0,00176 0,24 0,245 0,00181 0,29 0,29

10 0,00183 0,36 0,3650 0,00180 0,88 0,88

100 0,00175 1,56 1,56500 0,00176 6,99 6,99

1000 0,00177 13,67 13,62

Occlusion Queries

Tempo para disponibilidade de resultado Linearmente proporcional à complexidade geométrica

Testes

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

-100 100 300 500 700 900 1100

tTesteDisp

tDisp

tDispObt

Testes Occlusion Queries

tRender: Renderização sem teste de visibilidade tUmaQuery: Apenas um teste de visibilidade

Sem overhead tVariasQueries: Um teste para cada geometria

Quanto mais testes, maior o custo de cada um

No. Teapots tRender tUmaQuery tVariasQueries1 0,003 0,005 0,0055 0,008 0,009 0,011

10 0,013 0,014 0,01950 0,052 0,055 0,085

100 0,103 0,106 0,163500 0,503 0,508 0,808600 0,598 0,610 2,606700 0,698 0,703 5,415800 0,789 0,791 8,270900 0,910 0,898 11,092

1000 0,997 0,995 13,915

Testes

Occlusion Queries

Limiar em torno de 500 queries por quadro

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

-100 100 300 500 700 900 1100

tRender

tUmaQuery

tVariasQueries

Performance de Visualização

Caminho automático percorrido pelo observador Variando número de objetos visíves

Base de comparação Renderização simples, sem otimizações

Avaliar Impacto de diferentes hierarquias Algoritmo de descarte contra volume de visão Algoritmo de descarte por oclusão AABB, OBB Clássica e Aproximada Mínima

Teapots(500,30)

Pouca complexidade geométrica Muita oclusão “Cenas que já possuem bom desempenho”

Teapots(500,30)

Descarte contra volume de visão: 5% Descarte por oclusão: 40% Aprox. Mín não vale a pena, 100x mais lento

para construir

caixa simples vfc chcAABB 3.134 2.982 1.892OBB Clássica 3.138 2.978 1.919OBB Aprox. Mínima 3.186 2.991 1.869

Teapots(5000,3)

Elevada complexidade geométrica Pouca oclusão “Medir overhead dos testes de visibilidade”

Teapots(5000,3)

Descarte contra volume de visão: 8% Descarte por oclusão: 12%


Teapots(5000,20)

Elevada complexidade geométrica Muita oclusão “Melhor cenário para descarte por oclusão”

Teapots(5000,20)

Descarte contra volume de visão: 6% Descarte por oclusão: 81% (5x fps)


P-38

Elevada complexidade geométrica Muitas geometrias pouco complexas Distribuição irregular no espaço “Caso de uso real”

P-38

Descarte contra volume de visão: 5% Descarte por oclusão: 57%


Conclusões Hierarquia essencial para escalabilidade Descarte contra volume de visão

Otimização fundamental, mas não suficiente

Descarte por oclusão Traz melhorias mesmo com pouca oclusão Dificilmente se torna overhead

Mesmo assim, perda de desempenho é mínima Extremamente eficiente

Ganhos de até 6x na média de quadros por segundo Cerca de 2x no caso real de uso

Bom-ajuste dos volumes não é essencial AABB é suficiente

Próximas aulas

Waldemar estará de volta Mais adiante

OpenSceneGraph Traçado de raios

Descarte por visibilidade Paulo Ivson 21-10-2008.

Documents

Transcript of Descarte por visibilidade Paulo Ivson 21-10-2008.