Adaptives Displacement Mapping unter Verwendung von Geometrieshadern

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August Frank
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1 Fakultät Informatik Institut für Software- und Multimediatechnik, Professur für Computergraphik und Visualisierung Adaptives Displacement Mapping unter Verwendung von Geometrieshadern Diplomarbeit Timo Kunze Dresden,

2 00 Gliederung 01 Einführung 02 Displacement Mapping 03 Adaptive Tessellierung 04 Shader-Implementierung 05 Ergebnisse 06 Resümee Folie 2 von 18

3 01 Einführung Motivation Ziel: Mehr Realismus durch Feinstrukturen Probleme: Performance, Speicherbedarf Modellierungsaufwand Lösungsansätze: Bump Mapping: performant, aber glatte Silhouetten Displacement Mapping: Modellgeometrie wird verändert Adaptives DM: Erzeugung von Feinstrukturen nur soweit wie auflösbar Folie 3 von 18

4 02 Displacement Mapping Raycasting vs. echtes Displacement Mapping Raycasting (Adaptive) Tessellierung echtes Displacement Mapping Folie 4 von 18

02 Displacement Mapping Raycasting Erweiterung der Referenzoberfläche zu einem Volumen Innerhalb dieses Volumens Nutzung von Raytracing-Algorithmen

5 02 Displacement Mapping Raycasting Erweiterung der Referenzoberfläche zu einem Volumen Innerhalb dieses Volumens Nutzung von Raytracing-Algorithmen Selbstbeschattung, Selbstverdeckung, ansprechende Ergebnisse Hoher Rechenaufwand, teilweise 5D-Texturen Strahlverfolgung über Volumensegmente hinweg schwierig Folie 5 von 18

6 02 Displacement Mapping Raycasting vs. echtes Displacement Mapping Raycasting (Adaptive) Tessellierung echtes Displacement Mapping Folie 6 von 18

7 02 Displacement Mapping Echtes Displacement Mapping Vertices werden entlang ihrer Normalen verschoben Adaptives Vorgehen: grobes Basismodell wird weiter unterteilt Doggett/Hirche, weiterentwickelt von Moule/McCool: Dreiecke werden unabhängig voneinander rekursiv unterteilt Unterteilung einer Kante in der Mitte, wenn an einem Endpunkt der Fehler zu groß ist Folie 7 von 18

8 02 Displacement Mapping Echtes Displacement Mapping 3 Kanten 2³ mögliche Unterteilungen Folie 8 von 18

03 Adaptive Tessellierung Orakelfunktion Prüft, wie gut eine Dreieckskante die Ergebnisoberfläche approximiert; entscheidet über die Teilung der Kante Texturkoordinaten der Endpunkte spannen ein

9 03 Adaptive Tessellierung Orakelfunktion Prüft, wie gut eine Dreieckskante die Ergebnisoberfläche approximiert; entscheidet über die Teilung der Kante Texturkoordinaten der Endpunkte spannen ein Rechteck auf Tatsächliches Displacement liegt zwischen minimalem und maximalem Displacement aus diesem Rechteck Intervallhierarchie ermöglicht schnelle Ermittlung dieses Intervalls Ermittlung der Distanz zwischen maximal und minimal verschobenem Endpunkt in Bildschirmkoordinaten Teilung der Kante wenn eine der beiden Distanzen einen Schwellwert ε überschreitet, d. h. minimales und maximales Displacement zu unterschiedlich sind Folie 9 von 18

10 03 Adaptive Tessellierung Aufbau der Intervallhierarchie Generierung einer Intervallhierarchie aus der Displacement Map Intervall beschreibt minimales und maximales Displacement eines Punktes Level 0 der Hierarchie entspricht der Displacement Map (minimales Displacement = maximales Displacement) Ebenen entsprechen MIP-Map-Levels Orakelfunktion berechnet für jede Dimension des Texturraums das benötigte Level Maximum beider Dimensionen wird genutzt Folie 10 von 18

11 03 Adaptive Tessellierung Optimierungsansätze Unabhängige Bearbeitung der Dreiecke führt zu redundanten Kantenteilungstests bei benachbarten Dreiecken Teilweise Vermeidung durch Durchführung der Tests direkt nach der Teilung und Speicherung der Ergebnisse für den nächsten Rekursionsschritt Culling von abgewandten, verdeckten oder außerhalb liegenden Dreiecken Problematisch, da abhängig von der endgültigen Geometrie, die erst nach dem letzten Rekursionsschritt feststeht Entstehung von Rissen möglich Folie 11 von 18

12 04 Shader-Implementierung Aufbau Intervallhierarchie als Textur mit manuell erzeugten MIP-Map-Levels Rekursion mittels Transform Feedback TF schreibt die Ausgabe des Geometry Shaders in einen Puffer, Fragment Shader wird nicht ausgeführt Inhalt des Puffers kann als Eingabe für weiteren Pass dienen Vorzeitige Ausgabe finaler Dreiecke durch alternierende Unterteilungs- und Ausgabeschritte Kennzeichnung finaler Dreiecke über die 3. Komponente der Texturkoordinaten Folie 12 von 18

13 04 Shader-Implementierung Aufbau Folie 13 von 18

04 Shader-Implementierung Erweiterungsvorschläge Culling View Frustum Culling Problem: Sichtbarkeit von Dreiecken kann sich ändern Berechnung der gemittelten Vertexnormalen für die

14 04 Shader-Implementierung Erweiterungsvorschläge Culling View Frustum Culling Problem: Sichtbarkeit von Dreiecken kann sich ändern Berechnung der gemittelten Vertexnormalen für die Beleuchtung Verwendung einer Normal Map Kombination mit Bump Mapping Definition des Betrachtungswinkels Risse an Übergängen zwischen Teilnetzen Nutzung von Fat Borders Folie 14 von 18

05 Ergebnisse Performance Shader-Implementierung 140-3770% schneller als CPUImplementierung Vorteil steigt mit der Anzahl der Unterteilungsschritte an Adaptive

15 05 Ergebnisse Performance Shader-Implementierung % schneller als CPUImplementierung Vorteil steigt mit der Anzahl der Unterteilungsschritte an Adaptive Tessellierung über 95% langsamer als gleichmäßige Tessellierung Vermeidung redundanter Kantenteilungstests bei ShaderImplementierung nachteilig! Folie 15 von 18

05 Ergebnisse Grenzen des Verfahrens Unnötige Tessellierung an geneigten Ebenen Lösung: Anderes Fehlermaß; Prüfung, ob erzeugte Dreiecke in einer Ebene liegen Langsame

16 05 Ergebnisse Grenzen des Verfahrens Unnötige Tessellierung an geneigten Ebenen Lösung: Anderes Fehlermaß; Prüfung, ob erzeugte Dreiecke in einer Ebene liegen Langsame Approximation der Ergebnisoberfläche bei harten Kanten Verursacht durch mittige Kantenteilung Lösung: Analyse der Displacement Map und bevorzugte Unterteilung an harten Kanten Folie 16 von 18

17 06 Resümee Geometry Shader ermöglichen echtes Displacement Mapping Verfahren von Moule/McCool mit Schwächen Unnötige Tessellierung, langsame Approximation Viel Raum für Verbesserungen Culling, Bump Mapping, bevorzugte Unterteilung an Kanten Lauffähig auf NVIDIA GeForce 8800 GTS (G80) mit akzeptabler* Geschwindigkeit Aktuelle Hardware mit über 1500 Streamprozessoren (ATI Radeon HD 5870), ATI-Treiber zurzeit fehlerhaft * abhängig von 3D-Netz und Displacement Map Folie 17 von 18

18 Bildquellen MOULE, K.; MCCOOL, M. D.: Efficient Bounded Adaptive Tessellation of Displacement Maps. Aus: Graphics Interface, GUMHOLD, S.: Detailabbildung. Aus: Vorlesungsskript Computergraphik II, SS 08, 2008, S. 49. Wang et. al.: Generalized Displacement Maps. Aus: Eurographics Symposium on Rendering 2004, 2004, S Folie 18 von 18

19 05 Ergebnisse Tessellierung schiefer Ebenen Folie 19 von 18

20 05 Ergebnisse Adaptiv tessellierte Modelle (Elbtal, Erde) Folie 20 von 18

21 05 Ergebnisse Langsame Approximation Anzahl der Unterteilungsschritte von links nach rechts: 8, 10, 14, 20 Folie 21 von 18

22 05 Ergebnisse Risse durch Culling abgewandter Dreiecke Folie 22 von 18

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