Hardware Tessellation in DirectX11 zur Berechnung von Levels of Detail in Echtzeitanwendungen

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1 MASTER THESIS zur Erlangung des akademischen Grades Master of Science in Engineering im Studiengang 585 Hardware Tessellation in DirectX11 zur Berechnung von Levels of Detail in Echtzeitanwendungen Ausgeführt von: Nicole Grieder Personenkennzeichen: BegutachterIn: Dipl.-Ing. Dr. Gerd Hesina 2. BegutachterIn: FH-Prof. Dipl.-Ing. Alexander Nimmervoll Baden bei Wien, 4. Februar 2013

2 Eidesstattliche Erklärung Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig angefertigt habe. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher weder in gleicher noch in ähnlicher Form einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht. Ich versichere, dass die abgegebene Version jener im Uploadtool entspricht. Ort, Datum Unterschrift

3 Kurzfassung In der Arbeit werden die Vorteile von Hardware Tessellation zur Berechnung von Levels of Detail in Echtzeitanwendungen aufgezeigt. Es wird die Performance von LoD mittels Hardware Tessellation zu diskreten LoD Stufen und einer Szene ohne LoD verglichen. Hierfuer ist nicht nur die Framerate ausschlaggebend, sondern auch die Qualitaet. Es werden Vergleiche zwischen älteren Methoden und der neuen DirectX 11 Methode getroffen und implementiert. Schlagwörter: Smoothen DirectX 11, Hardware Tessellation, Levels of Detail, LoD, Performanceschub,

4 Abstract (E.g. This thesis deals with... ) Keywords: Keyword 1, Keyword 2, Keyword 3, Keyword 4, Keyword 5

5 Danksagung (Falls gewünscht.)

6 Glossar Domain Shader Fragment Shader Fractional Tessellation Factor HLSL Hull Shader Patch Pixel Shader Shader Shader Model Tessellation Control Shader Tessellation Evaluation Shader siehe Pixel Shader Teilungsfaktor, legt die Anzahl der Vertices fest, die pro Edge des P HLSL ist die Sprache, um Shaders zu erstellen. ein Patch ist ein Set von Vertices oder Control Points ein Shader ist ein Script welche der programmierbaren Stage der Gr ein Shader Model ist eine Abstraktion eines klar definierten Sets vo siehe Hull Shader siehe Domain Shader

7 Abkürzungsverzeichnis HLSL LoD SM High Level Shader Language Levels of Detail Shader Model

8 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung/Ausgangssituation Ausgangssituation und Problemstellung Beschreibung des Themas Fragestellung, Ziele und Hypothese Nicht-Ziele Aufbau und Methodik Grundlagen und Analyse Shader Model DirectX Features Hardware Tessellation Graphics Pipeline HLSL Level of Details Related Work Technische Umsetzung Schematische Grafik Technischer Aufbau der Testumgebung Technische Umsetzung der Applikationen Aufbau des Frameworks Aufbau des Shaders Pipline Optimierung Profiling Tools Findung des Bottlenecks Performance Messungen Optimierung

9 Inhaltsverzeichnis 4. Ergebnis/Ausblick/Resümee 17 A. Anhang/Ergänzende Information 18 A.1. Source-Code Dokumentation Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis

10 1. Einleitung/Ausgangssituation In der heutigen Zeit ermöglichen uns modernen Technologien ein immer realistischeres Spielvergnügen. Eine besondere Bedeutung erfährt in diesem Zusammenhang nicht nur die Hardware sondern auch Software. Immer echter scheinen die Gestalten über den Bildschirm zu rennen. Sehr viele verschiedenen Konsolen sind zusätzlich auf den Markt gekommen. Die bekanntesten Konsolen wie die Xbox 360, Playstation 3 und Nintendo Wii erschienen im Jahre 2005 bzw auf dem Markt. Nun machen seit einiger Zeit Gerüchte zweier neuen Konsolen (Sony PS4 Orbis und Microsoft Xbox 720 Durango ) die Runde (Next Gen Console Rumours). Die neue Hardware der neuen Konsolen soll mit AMD Radeon 7000 Grafikkarten ausgestattet sein, welche endlich den DirectX 11 Zugang für Konsolen ermöglicht. Immer interessanter wird nun auch das DirectX 11 Hardware Tessellation Feature für die Spielebranche Ausgangssituation und Problemstellung Die Verwendung der DirectX 11 Features wie Hardware Tessellation gewinnt zunehmend an Bedeutung. In der Spielebranche ist die DirectX 11 API bereits vorhanden, jedoch werden immer noch bloss DirectX 9 Features genutzt. Dies soll sich jedoch in absehbarer Zeit ändern. Spätestens mit der neuen Konsolen Generation wird DirectX 11 auf der Konsole möglich und somit auch interessant für die gesamte Spielebranche Beschreibung des Themas In der Arbeit werden die Vorteile von Hardware Tessellation zur Berechnung von Levels of Detail in Echtzeitanwendungen aufgezeigt. Es wird die Performance von LoD mittels Hardware Tessellation zu diskreten LoD Stufen und einer Szene ohne LoD verglichen. Hierfuer ist nicht nur die Framerate ausschlaggebend, sondern auch die Qualität. 10

11 KAPITEL 1. EINLEITUNG/AUSGANGSSITUATION Es werden Vergleiche zwischen älteren Methoden und der neuen DirectX 11 Methode getroffen und implementiert Fragestellung, Ziele und Hypothese 1.4. Nicht-Ziele 1.5. Aufbau und Methodik 11

12 2. Grundlagen und Analyse 2.1. Shader Model 5.0 Ein Shader Model ist eine Abstraktion eines klar definierten Sets von Shader Eigenschaften erstellt durch DirectX. Ein Shader ist ein Script welche der programmierbaren Stage der Grafik Hardware übermittelt, wie eine gewisse Berechnung getätigt werden muss, um ein Material, eine Transformation oder ein Effekt zuerhalten. DirectX 11 nutzt die Sprache HLSL, um solche Shader zu erstellen. Im Shader Model 4.0 konnten der Graphics Pipeline weder Primitive hinzugefügt beziehungsweise entfert werden noch gab es keine Möglichkeit per-primitive Manipulationen durchzuführen. Der Vertex- und Pixel Shader konnte nur im Speicher existierender Daten hinzugefügt werden. Dennoch stellte SM4 eine neue Stage, den Geometry Shader zur Verfügung. Dieses Feature konnte eine vielzahl von Shading Algorithmen, z.b. sehr schnell prozedurale Meshes generieren oder Silhouetten erkennen. Leider konnte zum Einen nur eine kleine Anzahl von Primitiven hinzugefügt/eliminiert werden, zum Andern waren die Operationen sehr teuer. Man hat also mehrere Modelle mit unterschiedlicher Auflösung erstellt, da jedoch das Hinzufügen und Entfernen der Primitive meist auf der CPU gemacht werden musste, war der Transfer zwischen CPU und GPU der Bottleneck. Mit DirectX 11 hat man sich diesem Problem gestellt und im Shader Model 5.0 drei weitere Stages (Hull Shader, Tessellator und Domain Shader) in die Graphics Pipeline eingeführt. Mit dem Shader Model 5.0 wurde eine neue Primitive Patch eingeführt, welche aus einem Set aus Vertices oder Control Points besteht. Kernstück des SM5 ist jedoch der Tessellator. Diese Pipeline Stage, ermöglicht das Erstellen von bis zu 8192 Triangles für jede einzelne Primitive welche der Tessellator erhält. All diese Triangles können mit HLSL in einer Shader Stage transformiert werden. Die Möglichkeit eine solch grosse Anzahl von Primitiven zu erstellen und zu manipulieren macht die neue Pipline zu einem mächtigen Werkzeug für das Real-Time Rendering. 12

13 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN UND ANALYSE 2.2. DirectX 11 was ist directx11 ueberhaupt. DirectX 11 ist die Erweiterung von DirectX 10. Es nutzt das Shader Modell 5.0. Gegenüber DirectX 10 gibt es einige neue Features. Jedoch bringt DirectX 11 auch einige Punkte die es den Entwicklern wiederum erschweren, sich nur auf DirectX 11 zu verlassen. Zum einen erfordert DirectX 11 eine relativ neue DirectX 11 fähige Grafikkarte, zum andern unterstützt DirectX 11 kein Windows XP. Da es jedoch noch einige XP Benutzer gibt und auch sehr viele Benutzer weit von einer DirectX 11 fähigen Grafikkarte entfert sind, ist es das beste ein Computerspiel in DriectX 9 und DirectX 11 zu entwickeln. Das Hauptfeatures (Geometry Shader) von DirectX 10 kann direkt in DirectX 11 realisiert werden Features Compute Shader Ein Compute Shader ist eine neue Art und Weise Programme auf der GPU zu erstellen. Somit kann man die GPU als normalen Prozessor verwenden. Mit der parallelen Verarbeitung moderner Grafikkarten, können neue Techniques erstellt werden, welche den existierenden Rendering Algorithmus unterstützen oder allgemeine Algorithmen beschleunigen Dynamic Shader Linking Multithreading Bei der Herausgabe des früheren Direct3D wurde nicht viel Augenmerk auf den Support von Multithreading gelegt, da zu dieser Zeit Multithreading noch nicht bekannt war, daher wurde diesem Anliegen bei DirectX 11 grosse Bedeutung geschenkt. Das Device Object von Direct3D 11 kann weitere (Deferred) Contexte rendern. Diese können auf seperaten Threads erstellt werden, welche durch den Immediate Context an die GPU geleitet werden, wenn dieser bereit ist einen neuen Task zu senden. 13

14 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN UND ANALYSE Tessellation Hardware Tessellation Durch die Implementierung von Tessellation in die Hardware, kann die Grafikpipeline Modelle mit wenig Polygonen (lower Detail) evaluieren und mit höherem Detail rendern Vorteile von Tessellation Spart Speicher und Bandbreite: Es können hoch aufgelöste Oberflächen von einem low-resolution Model gerendert werden. Unterstützt scalable-rendering Techniken: wie continuous oder view dependent LoD. Verbesserte Performance: durch Berechnungen auf low-detail Modelle. Z.B. Blending Berechnungen für Animationen oder Physikberechnungen für Collision Detection. Die Pipeline implementiert Tessellation in der Hardware, was die CPU entlastet und daher zu grossen Performanceverbesserungen führen kann, wenn Applikationen viele Modelle mit Morph Targets oder anspruchsvolle Skinning/Deformationen beinhalten Graphics Pipeline In Direct3D 11 wurde eine neue Tessellator Unit in der Grafikpipeline hinzugefuegt. Die Tessellation nutzt die GPU, um detailiertere Oberflächen konstruiert aus Quad-, Triangle Patches oder Isolines zuberechnen. Um die Oberfläche anzunähern, wird jedes Patch in Triangles, Points oder Lines mittels Tessellationfactor subdivided. Durch diese Änderung entstanden drei weitere Stages, um die Tessellation zu implementieren: Hull Shader wird einmal pro Patch aufgerufen. wandelt die Input Control Points in Control Points um, welche dann einen Patch ausmachen. Des Weiteren werden Patch Berechnungen (Patch Constant Data, Tessellation Factor) durch geführt, um Daten fuer die Tessellation- und Domain Stage zur Verfügung zu stellen. Tessellation Unit subdivides eine Domain (Quad, Tri oder Line) in kleiner Objekte (Triangles, Points oder Lines). Er unterteilt die Domain in ein normalisiertes Koordinatensystem. Der Tessellator wird einmal pro Patch aufgerufen und nutzt den 14

15 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN UND ANALYSE Tessellation Factor und den Typ der Partitionierung, welche von der Hull Shader Stage zur Verfüng gestellt wird. Er gibt die UV Koordinaten, sowie die Oberflächen Topologie an den Domain Shader Stage. Domain Shader berechnet die Vertex Position eines subdivideten Punktes, welche zu jedem Domain Sample gehört. Der Domain Shader wird einmal pro Tessellator Stage aufgerufen. Abbildung 2.1.: DirectX 11 Grafikpipeline Abbildung 2.2.: progressionthroughtessellationstage HLSL 2.3. Level of Details 2.4. Related Work [LSNC09] [VNR + 10] 15

16 3. Technische Umsetzung 3.1. Schematische Grafik server mit low poly modellen vorher/nachher 3.2. Technischer Aufbau der Testumgebung PC spezifikationen 3.3. Technische Umsetzung der Applikationen was fuer features wurden eingebaut. zb culling Aufbau des Frameworks Aufbau des Shaders 3.4. Pipline Optimierung Profiling Tools Findung des Bottlenecks Performance Messungen Optimierung 16

17 4. Ergebnis/Ausblick/Resümee 17

18 A. Anhang/Ergänzende Information A.1. Source-Code Dokumentation 18

19 Abbildungsverzeichnis 2.1. DirectX 11 Grafikpipeline progressionthroughtessellationstage

20 Tabellenverzeichnis 20

21 Literaturverzeichnis [LSNC09] C. Loop, S. Schaefer, T. Ni, and I. Castaño. Approximating subdivision surfaces with gregory patches for hardware tessellation. ACM Transactions on Graphics (TOG), 28(5):151, [VNR + 10] A. Valdetaro, G. Nunes, A. Raposo, B. Feijó, and R. DE TOLEDO. Understanding shader model 5.0 with directx11. In IX Brazilian symposium on computer games and digital entertainment,