Teil 1: Partikelsysteme

Transkript

1 Teil 1: Partikelsysteme Ein &

2 Inhalt: - Historischer Überblick - Umwelteinflüsse

3 Einführung Wieso Partikelsysteme? - Realisierung vieler natürlicher Phänomene, ohne glatte und klar abgrenzbare Oberfläche - Objekte ohne eindeutig definierbare Form - weniger Aufwand bei der Generierung der Animation Anwendungsgebiete: - Wolken - Feuer / Rauch - Explosionen - Flüssigkeiten - Galaxien - Textilien - Bäume / Wälder

4 Historischer Überblick - Die Explosion in Videospielen wurde als erstes durch einzelne rot, gelbe und weiße Punkte verwirklicht. - Explosionspartikel bzw. Pixel wurden explizit und individuell gesetzt ermöglicht Grafikspezialist William T. Reeves erstmals die automatische Generierung der Partikel zusammen mit R. Blau ermöglicht durch den Einsatz von Partikelsystemen zur Darstellung von Pflanzen und Bäumen werden Partikelsysteme zur Darstellung der Vogelschwärmen benutzt.

5 Partikelsysteme Man unterscheidet 2 Arten von Partikelsystemen: - Freie Partikelsysteme: keine Interaktion zwischen den einzelnen Partikeln Stochastische Partikelsysteme (Feuer, Nebel, Rauch) Strukturierte Partikelsysteme (Graslandschaften / Wäldern) - Gebundene Partikelsysteme: interagieren miteinander durch Anstoßen oder Anziehen (Gewebesimulation)

6 Aufbau von Partikelsystemen (1) - Partikelsysteme sind dynamische Systeme. - Jeder Partikel ist ein dynamischer Teil eines Partikelsystems. Er hat eine endliche Lebensdauer. - Am Anfang der Modellierung eines Partikelsystems wird ein einzelner Partikel definiert. Er kann dabei unterschiedliche Form haben. - Die Attribute der Partikel ändern sich in Abhängigkeit von der Zeit. Partikelattribute: - Position - Geschwindigkeit - Größe - Farbe - Transparenz - Form / Aussehen - Lebensdauer

7 Aufbau von Partikelsystemen (2) Partikel-Emitter: - besteht aus einer Abschussstelle und einer Ansammlung fliegender Partikel - stößt Partikel aus - kontrolliert Parametergrenzen des Partikelsystems

8 Aufbau von Partikelsystemen (3) Ablaufsequenz der Bildgenerierung Quelle: [1]

9 Aufbau von Partikelsystemen (4) Partikel-Erzeugung: zwei Berechnungsverfahren: 1. mittlere Anzahl der Partikel und Varianz pro Frame n neu = n mittel (t) + (random() var(n mittel )) 2. abhängig von der Größe des Partikelsystems n neu = (n mittel (t) + random() var(n mittel )) x ScreenArea Intensitätswachstum und Verringerung n mittel (t) = n intial + n delta (t-t0) Quelle: [1]

10 Aufbau von Partikelsystemen (5) Attributzuweisung: - erfolgt für jeden Partikel individuell - Standardformel für stochastische Attributermittlung: v init = v mittel + random() var(v mittel ) Quelle: [1]

11 Aufbau von Partikelsystemen (6) Partikellebensdauer: - Lebensdauer pro Partikel als Zahlenwert - je Schritt wird die Lebensdauer um 1 dekrementiert Partikellöschung - Lebensdauer überschritten - Wert = 0 - kein Beitrag zum Partikelsystem - ungewollte Parameterannahme Quelle: [1]

12 Aufbau von Partikelsystemen (7) Aktualisierung der Attribute - noch vorhandene Partikel werden bewegt - Aktualisieren der Attribute - andere werden durch physikalische Gesetze beeinflusst Quelle: [1]

13 Aufbau von Partikelsystemen (8) Rendering - Übergabe der Daten an das Renderingsystem Probleme - Überlagerungen - Reflexion, Schatten, Transparenz von Partikeln - Kombination mit oberflächenbasierten Szenen - selbstleuchtende Partikel Quelle: [1]

14 Aufbau von Partikelsystemen (9) Partikelhierarchie - baumartig strukturiert - Partikelsysteme erzeugen neue Partikel - neu erzeugte Partikel sind wiederum Partikelsysteme - mehrere Quellen für neue Partikel - nutzbar für komplizierte Partikelsysteme übergeordnete Partikelsystem (Top-Level-System) untergeordnete Partikelsysteme (Second-Level-System)

15 Anwendung (1) Genesis-Effekt 2 Hierarchiestufen von Partikelsystemen: - Top-Level-System - Einschlagpunkt - emittiert Partikel, welche selbst ein Partikelsystem sind - Second-Level-System - kreisförmiges Verbreiten neu generierter Partikelsysteme - Anzahl der Partikelsysteme pro Kreis aus einer zuvor festgelegten Konstante und Umfang des Kreises - Parameter auf Basis der Eltern

16 Anwendung (2) Genesis-Effekt : Ausbreitung: 200 Partikelsysteme, ca Partikel Startexplosion (1 großes Partikelsystem und 20 kleinere, ca Partikel Quelle: [2]

17 - Wasserfallbeispiel -

18 Kollisionserkennung bei Partikeln - Berechnung auf Grafikkarte - Stateless-Partikelsystem leicht zu implementieren - dynamisches Partikelsystem besser für Kollisionsabfrage und Reaktion Emitter

19 Berechnung auf GPU - Berechnung durch Stream-Processing auf dem Fragment-Shader - Durch depth maps werden Normalvektoren in die Textur gespeichert. - verschiedene Kollisionstechniken: Annäherung durch Grafikkarte berechnet, Kollisionabfrage selbst auf CPU Kollision von der Grafikkarte erkannt, CPU nur noch für Reaktion nötig - Beschleunigung durch weg glätten kleinerer Unebenheiten, wodurch größere Flächen entstehen => schnellere Berechnung

20 Berechnung der Partikel - Partikel in Texturen gespeichert (dadurch simultanes Update möglich) sberechnung auch durch Stream-Processing (auch für mehrere Partikel simultan möglich) - Werte, die sich nicht ändern (Farbe, Größe, etc.), werden nicht immer neu berechnet und vom Stream ausgeschlossen.

21 Probleme bei der Berechnung - Was passiert wenn 2 Objekte eng nebeneinander sind? - Lösung: doppelte Berechnung: vorher -> nachher

22 Wasserfallbeispiel Zusammenführung aller Partikeleigenschaften: - Emitter - physikalische Einflüsse mit Objekt und resultierende Ablenkung mit Boden und vorgegebene Reaktion

23 Fazit Kombination aus - einfachen Grafikobjekten - Abhängigkeiten und Regeln - Einfluss von Zufallsgrößen sehr gute Simulation von (natürlichen) Phänomenen - mit herkömmlichen Methoden kaum zu realisieren - Aufwand bei Erzeugung auf Designerseite relativ gering sberechnung für Partikel durch Stream-Processing - Grafikkarte entlastet soweit wie möglich CPU

24 Teil 2: Schwärme Ein &

25 Inhalt: - Entstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - Entstehung - auf der Grafikkarte svermeidung - Umsetzung - Ausblick - Literatur / Fazit

26 Von Partikelsystemen zu Schwärmen: Die Unterschiede - Entstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick Partikelsysteme: - begrenzte Lebenszeit der Partikel - Gesamteindruck ist maßgebend - Partikel sind wenig komplex - Partikel folgen passiv dem Bewegungsablauf Schwärme: - Lebenszeit nicht begrenzt, solange wie der Schwarm - dynamischer Eindruck ist maßgebend - komplexe Akteure - Akteure greifen aktiv in das Geschehen ein

27 Die Entstehung: - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - erste komplett animierte Filmsequenz Craig Reynolds [1] stellte einen komplexen Vogelschwarm dar - jedes Schwarmmitglied ( Akteur ) hatte einfache Regeln: Kollisionsvermeidung (Akteure vermeiden selbstständig Kollisionen) Geschwindigkeitsanpassung (Akteure passen Geschwindigkeit den Nachbarn an) Schwarmzentrierung (Akteure versuchen zusammenzubleiben) Diese Grundregeln gelten noch heute

28 Schwärme auf der Grafikkarte: 1.) Die Akteure - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - Jeder Akteur ist durch bestimmte Parameter definiert. (z.b. Gewicht, Geschwindigkeit, Sichtfeld, etc.) - Konstante Parameter werden bei der Initialisierung festgelegt. (z.b. Masse, Höchstgeschwindigkeit, etc.) - Variable Parameter werden jeden Frame aktualisiert. (z.b. aktuelle Geschwindigkeit und Position)

29 Schwärme auf der Grafikkarte: 2.) Datenstruktur - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick Zum Speichern der Daten wird eine Matrix benutzt ( CellGrid ): - einfaches auslesen der Nachbarn eines Akteurs - einfaches Aktualisieren des Schwarmes Flaschenhals: Dieser Teil der Simulation läuft auf der CPU ab, da diese simultanen Lese- und Schreibzugriff auf den Speicher hat. Aufgrund des großen Datenaustausches zwischen CPU und GPU ist dies trotz PCIe ein sehr zeitaufwendiger Prozess

30 Schwärme auf der Grafikkarte: 3.) Steuerverhalten - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick Für jeden Akteur werden 4 Nachbarn gespeichert. Aus diesen Nachbarn wird das Steuerverhalten berechnet: Weitere Steuerverhalten: - Schwarmführer - Individuelle Note Bildquelle:

31 Kollision auf der Grafikkarte: - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick 1.) Grundmodell - Kraftfeldmodell : Ein Kraftfeld umgibt das Objekt. - Sobald ein zweites Objekt in dieses Kraftfeld fliegt, wirkt eine Ablenkkraft auf dieses. - Je näher der zweite Vogel dem ersten Vogel kommt, desto größer wird die Ablenkkraft. Bewegungsrichtung Ablenkkraft Flugbahn

32 Kollision auf der Grafikkarte: 2.) Problem 1 - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - Was passiert, wenn 2 Vögel direkt aufeinander zufliegen?

33 Kollision auf der Grafikkarte: 2.) Problem 1 - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - Alternativ dazu: Sie fliegen hintereinander her, v 2 ist größer als v 1 Fazit: Unnatürliches Verhalten, da beide Vögel abgebremst werden und in der Luft stehen bleiben oder aber unnatürlich beschleunigen.

34 Kollision auf der Grafikkarte: 3.) Lösung zu Problem 1 - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - Steer to avoid : Hindernisse werden nur im Sichtfeld erkannt. - Jeder Vogel bekommt eine eigene Individuelle Note. - Mit der individuellen Note können auch andere Probleme umgangen werden (z.b. Ausweichkurs Mittelpunktkurs).

35 Kollision auf der Grafikkarte: 4.) Problem 2 - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick Folgendes Szenario sei gegeben: - Ein Vogelschwarm fliegt auf eine Gartenmauer mit flacher Oberseite zu, ohne einen Kollisionskurs zu haben. - Umgibt man diese Mauer mit dem eben gezeigten Kraftfeld, so würden die Vögel eine Ablenkkraft erfahren, welche die Vögel unnatürlich abbremsen und ablenken würde. - Lösung: Normalenvektor(Mauerfläche) Richtungsvektor(Vogel) - Ergebnis = 0: Vogel und Mauer sind parallel Ergebnis > 0: Vogel fliegt von der Mauer weg Ergebnis < 0: Vogel fliegt auf die Mauer zu Reaktion: Ablenkungskraft

36 Kollision auf der Grafikkarte: 4.) Problem 3 - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick Dies führt zu einem weiteren Problem: Lack of Time. Zeitschlitz: i + 1 Lösung: Vorausberechnung der Flugrouten jedes Akteures für mehrere Zeitschlitze, um mögliche Kollisionen frühzeitig zu erkennen und zu reagieren.

37 Umsetzung auf der Grafikkarte: - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - alle Berechnungen sind unabhängig voneinander besonders gut als Stream & Kernel auf der GPU - Berechnung im Fragmentprozessor, da dieser aus Texturen lesen und in selbige schreiben kann. - Informationen eines Akteurs werden in den Pixeln einer Textur gespeichert - da meist viele Informationen für einen Akteur, existieren mehrere Texturen für einen Akteur - alle Texturen eines Akteures werden in den Framebuffer geschrieben und daraus berechnet OffScreen-Rendering - Multipass-Schema : Die Ausgabe des FP wird als Eingabe benutzt. So wird das Instruktionslimit im FP umgangen.

38 Umsetzung auf der Grafikkarte: Neighboursearching auf der CPU - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick - Nachbarn müssen jeden Frame gesucht werden uneffektiv, da nicht immer die Nachbarn wechseln - Lösung: 3 x 3 x 3 Matrix ( Scattering Matrix )

39 Weiterführende Literatur / Links (Schwärme): - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick [1] (Homepage von Craig Reynolds) [2] (Simulation eines Vogelschwarmes) [3] project_proposal/index.html (Nanobots) Quelle [1]: www2.informatik.uni-wuerzburg.de/staff/holger/ lehre/osss02/sauer/vortrag.pdf?i2statuslang=en Quelle [2]: Bilder aus Star Trek 2 The Wrath of Khan

40 Zusammenfassung: - Einstehung - auf der GraKa. Kollision Umsetzung - Beispiele - Ausblick Entstehung von Schwärmen Aufbau von Schwärmen Kollisionsvermeidung Berechnung des Steuerverhaltens auf der GPU Nachbarsuche auf der CPU