Praktikum im Bereich Praktische Informatik Echtzeitgraphik in C++ und DirectX10. computer graphics & visualization

Transkript

1 Praktikum im Bereich Praktische Informatik Echtzeitgraphik in C++ und DirectX10

2 Billboards Letztes Übungsblatt: Meshes & Instancing um dem Terrain zusätzliche Details (Vegtation) hinzuzufügen. Nachteil: Für großflächigen Einsatz (z.b. für Gras) zu aufwendig. Alternative: Billboards

3 Billboards Beispiele:

4 Billboards Billboards sind texturierte Rechtecke, die zur Vereinfachung von Modellen eingesetzt werden. 2 Möglichkeiten: zwei oder drei statische, sich überkreuzende Billboards oder ein Billboard was immer senkrecht zur Kamera ausgerichtet wird. Vorteil: Ein Modell, das aus mehreren Tausend Polygonen bestehen kann, wird durch 1 bis 3 Polygone ersetzt.

5 Speicherbedarf Jedes Billboard ist definiert durch: Saatpunkt Textur Die Eckpunkte des Rechtecks sind bei beiden Billboard- Varianten implizit gegeben: durch das Welt-Koordinatensystem (Kreuz-Billboards) oder durch das Kamera-Koordinatensystem Mit Hilfe vom Geometry-Shader können wir aus den Saatpunkten Dreiecke generieren (Details später).

6 Planting Strategy Wie kann man die Vegetation pflanzen? Vegetation kann unabhängig für jedes Tile generiert werden. Die Billboards werden zufällig pro Tile verteilt. Die Wahrscheinlichkeit für das Vorkommen von Vegetation kann abhängen von: Höhe Steigung

7 Planting Strategy Einfacher Algorithmus (für 1 Tile): Für n Grasbüschel: Wähle zufällige 2D-Position innerhalb vom Tile. Bestimme Höhe und Steigung an dieser Stelle. Berechne die Wahrscheinlichkeit p, dass ein Grasbüschel unter diesen Bedingungen wächst: Falls p = 0: Verwerfe dieses Grasbüschel Falls p = 1: Pflanze dieses Grasbüschel Falls 0 < p < 1: Berechne Zufallswert x *0,1+ und pflanze das Grasbüschel sofern x p.

8 Planting Strategy Statische Berechnung: Der Speicheraufwand bei massivem Einsatz von Billboards in einer großen Landschaft ist enorm. Bei unauffälliger (wie z.b. Gras) kommt es nicht darauf an, dass ein Grasbüschel immer an der selben Stelle zu sehen ist. Alternative: Dynamische Berechnung von Vegetation für Bereiche in Sichtweite.

9 Dynamische Planting Strategy Verwaltung der umliegenden Vegetations-Daten in einem virtuellen World-Space orientierten Gitter, wobei jede virtuelle Zelle prinzipiell die zu rendernden Daten für den Raum enthält, den sie repräsentiert. Tatsächlich werden die Daten nur für die von der Kamera umgebenden (sichtbaren) Zellen gespeichert. Dieser Sichtbarkeitsbereich wandert mit der Kamera über die Landschaft: Fällt eine Zelle aus diesem Bereich heraus, werden die Daten gelöscht. Kommt eine neue Zelle in den sichtbaren Bereich, werden die Pflanzen neu gesetzt. Da das Löschen und das Generieren zusammenfällt, bleibt die Anzahl der sichtbaren Zellen konstant.

10 Geometry Shader Berechnungen pro Primitiv : Erzeugen / Löschen von Primitiven In unserem Fall: Input: 1 (Saat-)Punkt in Weltkoordinaten Output: 2 Dreiecke in Clipping-Koordinaten Berechnungen: Billboard-Eckpunkte View- und Projection-Transformation Input Assembler Vertex Shader Geometry Shader Setup / Rasterizer Pixel Shader Output Merger Stream Output Vertex Buffer Index Buffer Texture/Buffer Texture/Buffer Texture/Buffer Memory Texture/Buffer Depth Color

11 Pflanzen wachsen lassen Vorausgesetzt: float billboardsize // Größe der Billboards in Weltkoordinaten float3 rightvec // Rechts -Vektor der Kamera in Weltkoordinaten float3 upvec // Hoch -Vektor der Kamera in Weltkoordinaten [maxvertexcount(4)] void RenderPlantGS( point SEED input[1], inout TriangleStream<PLANT_VERTEX> PlantStream ){ } maximale Anzahl an ausgegebenen Vertices Input: Primitiv-Typ Datentyp Anzahl zu lesender Elemente Ausgabestrom: Primitiv-Typ Datentyp

12 Pflanzen wachsen lassen Vorausgesetzt: float billboardsize // Größe der Billboards in Weltkoordinaten float3 rightvec // Rechts -Vektor der Kamera in Weltkoordinaten float3 upvec // Hoch -Vektor der Kamera in Weltkoordinaten [maxvertexcount(4)] void RenderPlantGS( point SEED input[1], inout TriangleStream<PLANT_VERTEX> PlantStream ){ PLANT_VERTEX output; } // erster Eckpunkt: float4 vec = input[0].pos - rightvec * billboardsize/2 upvec * billboardsize; output.pos = mul(vec, g_mviewprojection); output.tex = float2(0,0); PlantStream.Append(output); // // restliche Eckpunkte entsprechend, aber auf die Reihenfolge achten! // PlantStream.RestartStrip(); Einfügen eines Objekts in den Ausgabestrom TriangleStream ist ein TriangleStrip, der mit RestartStrip unterbrochen wird.

13 Transparenz Billboards sind i.d.r. teilweise transparent: 2 Möglichkeiten: RGB-Daten Alpha-Daten (Opazität) Es gibt nur völlig opaque oder völlig transparente Texel. Es gibt auch semi-transparente Texel (0 < < 1).

14 Transparenz Umsetzung in der Rendering Pipeline: a) Entweder völlig transparent oder opaque Texel Alpha Test im Fragment Shader: if (color.a == 0) discard; b) Semi-transparente Fragmente: Fragmente müssen mit dem vorhandenen Wert im Backbuffer verrechnet werden müssen. Alpha Blending

15 Alpha Blending Formel: outputpixel = ( SrcColor*SrcBlendFactor ) BlendOp ( DestColor*DestBlendFactor ) Gegeben: SrcColor: Farbe des Fragments DestColor: Vorhandene Farbe im Backbuffer Über den BlendState wählbar: SrcBlendFactor: Gewichtungsfaktor für das neue Fragment DestBlendFactor: Gewichtungsfaktor für den bisherigen Wert BlendOp: Operator wie die gewichteten Werte verrechnet werden sollen.

16 Alpha Blending Beispiel (HLSL): BlendState SrcAlphaBlendingAdd { BlendEnable[0] = TRUE; // 0 steht für das 0-te Render Target SrcBlend = SRC_ALPHA; // SourceBlendFactor *) DestBlend = ONE; // DestinationBlendFactor *) BlendOp = ADD; RenderTargetWriteMask[0] = 0x0F; }; Ergebnis: outputpixel = ( SourceColor.rgba * SourceColor.aaaa ) + ( DestColor.rgba * (1,1,1,1) ) *) Alternative Blend States: ZERO, ONE, SRC_COLOR, INV_SRC_COLOR, SRC_ALPHA, INV_SRC_ALPHA, DEST_ALPHA, INV_DEST_ALPHA, DEST_COLOR, INV_DEST_COLOR, SRC_ALPHA_SAT, BLEND_FACTOR, INV_BLEND_FACTOR, SRC1_COLOR, INV_SRC1_COLOR, SRC1_ALPHA, INV_SRC1_ALPHA

17 Alpha Blending Ergebnis: outputpixel = ( SourceColor.rgba * SourceColor.aaaa ) + ( DestColor.rgba * (1,1,1,1) )

18 Alpha Blending BlendState verwenden (HLSL): technique10 RenderQuadSrcAlphaAdd { pass P0 { SetVertexShader( CompileShader( vs_4_0, QuadVS() ) ); SetGeometryShader( NULL ); SetPixelShader( CompileShader( ps_4_0, QuadPS() ) ); SetBlendState( SrcAlphaBlendingAdd, float4( 0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f ), 0xFFFFFFFF ); } } BlendState BlendFactor SampleMask

19 Alpha Blending Was brauchen wir in unserem Fall? Gegeben: Backbuffer: Terrain Fragments: Billboards Beispiel: Fragment mit = 0.7 Alpha Blending mit Hintergrund? SourceColor + DestinationColor (1 - )

20 Alpha Test / Alpha Blending Problem: Billboards sind nicht tiefensortiert! Lösung: Alpha-Textur mit Rauschen (z.b. Perlin-Noise) modulieren Bei Alpha-Test ohne Blending: Grenzwert abhängig von Distanz wählen.

21 Lighting / Shadowing Lighting: Beleuchtungsberechnung wie gewohnt möglich. Einzige Vorraussetzung: Normalen-Vektor zusätzlich pro Saatpunkt speichern. Shadowing: Berücksichtigung bei der Erstellung der Shadow-Map recht teuer und aufgrund der Größe mit eher geringer Auswirkung. Schattentest wie beim Terrain möglich, je nach Menge aber möglicherweise recht teuer.

22 Realismus erhöhen Variationen: Billboards z.t. spiegeln und unterschiedlich skalieren (z.b. bei Generierung zufälligen Faktor wählen und zusätzlich speichern) Billboards unterschiedlich Einfärben (z.b. mit den Saatpunkt-Koordinaten auf eine Noise-Textur zugreifen) Billboards mit unterschiedlichen Texturen (z.b. durch die Verwendung von einem Textur-Atlas) Animation: Wind hinzufügen (z.b. mit Hilfe einer Summe aus Sinus-Termen die oberen Eckpunkte nach links und rechts verschieben)

23 View Frustum Culling Bislang: alle Tiles (und somit auch in Zukunft die ganze Vegetation) wird gerendert unabhängig davon ob sie sich im sichtbaren Bereich befindet oder nicht. Überspringen von Daten, die garantiert nicht zu sehen sind! Einfachste Lösung: CPU: Wir können alle Tiles (und deren Vegetation) ignorieren, die vollständig hinter der Kamera liegen GPU: im Geometry Shader können wir Saatpunkte überspringen, die nach der Projektion deutlich außerhalb des Frustums liegen.

24 Referenzen GPU Gems 2: Toward Photorealism in Virtual Botany DX10 Tutorial 14: State Management Configuring Blending Functionality (Direct3D 10):