Tema 2.4 Etapa de Teselación

Transcripción

TEMA 2.4
ETAPA DE
TESELACIÓN
E IMPLEMENTACIÓN
HARDWARE
Curso 2013 / 14
Procesadores Gráficos y Aplicaciones en Tiempo Real
Profesores: David Miraut y Óscar D. Robles
c
GMRV
2005-2014 – Febrero 2014
David Miraut Andrés
Procesadores Gráficos y Aplicaciones en Tiempo Real 2013/14
1/
48
1/48
Índice
•
•
•
•
•
•
¿Qué es la teselación?
Utilidad de los shader de teselación
Tessellation Control Shader
Tessellation Patch Generator
Tessellation Evaluation Shader
Niveles de división internos y externos
Etapa de Teselación
Índice inicial
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48
2/48
Localización en el cauce gráfico
Shader de vértices
Variables
entr./salid
Ensamblado de primitivas
Shader de control de teselación
Variables
entr./salid
Variables (atributos)
por vértice
Variables
Uniform
Generador de primitivas de teselación
Shader de evaluación de teselación
Variables
entr./salid
Shader de Geometría
Variables
entr./salid
Rasterizador
Shader de fragmentos
Posición y utilidad del shader de teselación
3/
48
3/48
Definición
Si buscamos en el diccionario, la teselación es la técnica artística
para la creación de mosaicos
Definición
4/
48
4/48
¿Qué es la teselación?
En un contexto más moderno, la teselación es el proceso es la
creación de un patrón regular (o irregular) que cubre (o
pavimenta) una superficie mediante la repetición de una forma
(primitiva) sin que:
• queden huecos
• se superpongan las figuras / piezas
En general se aplica a superficies planas, pero en informática
gráfica se generaliza a superficies en dimensiones más altas.
Teselado en un pavimento
Los patrones de repetición
suelen ser regulares en
construcciones humanas
Definición
Las mejores teseladoras son las abejas
En problemas de elementos
finitos, la triangularización
del dominio es esencial
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¿Para qué sirve el shader de teselación?
modelo grosero
(baja poligonización)
modelo “teselado”
con suavidad
modelo teselado
al que se ha aplicado
mapa de desplazamiento
http://www.nvidia.com/object/tessellation.html
Típicamente se utiliza para convertir un modelo grosero en otro
con mayor detalle
Definición
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¿Para qué sirve el shader de teselación?
Aparece en OpenGL 4.0 e interpola la descripción geometrica
para crear nuevas primitivas que permiten:
• realizar subdivisión adaptativa (según el criterio que deseemos:
tamaño, curvatura. . . )
• suavizar modelos lowpoly, de modo que se puede considerar
•
•
•
•
una forma de “comprimir” geometría
aplicar mapas de desplazamiento de manera se añada detalle
sólo donde sea necesario (el muestreo pasa a no ser uniforme)
adaptar la calidad visual al nivel de detalle requerido
crear siluetas más suaves
realizar skinning con mayor facilidad. . .
Definición
7/
48
7/48
Se nota especialmente en las siluetas
http://www.chromesphere.com/tutorials/vue6/Optics_Basics_Print.html
Como ya hemos comentado, el sistema visual humano es
especialmente sensible con la frontera de los objetos a la hora de
reconocerlos y determinar su “realismo”.
Definición
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La etapa de teselación
Los shaders de teselación tienen acceso a toda la información de
renderizado (al igual que la implementación moderna del resto de
las etapas programables).
Por ello, “brillan” cuando sus programas se adaptan
dinámicamente a la situación de la escena: las transformaciones
aplicadas, curvatura, espacio ocupado en pantalla. . .
De forma análoga al Modern Geometry Engine (2001), la etapa
de teselación se subdivide en dos etapas con shaders separados:
• Tesellation Control Shader (TCS)
• Tesellation Evaluation Shader (TES)
Cuando hablamos en términos generales nos referimos a ambos.
Definición
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Shader de teselación vs geometría
• Los shaders de teselación amplifican una única primitiva (a
diferencia del shader de geometría que puede tener información
de localidad) y están limitados a generar primitivas
exactamente del mismo tipo de la primitiva de partida.
• No pueden emitir primitivas con información de adyacencia,
porque actúan sobre cada primitiva por separado. De modo
que si se activa el shader de teselación, hay shaders de
geometría que dejan de poderse utilizar (al no disponer de las
primitivas de partida).
• A cambio, el limite en la cantidad de geometría a generar es
mucho más alto.
Definición
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El Patch
• Los shaders de teselación utilizan una nueva primitiva como
entrada: el parche (patch).
• Es necesario declarar este tipo de topología,
independientemente de que utilicemos vertex arrays, o
bufferes, o glBegin / glEnd
glBegin( GL_PATCHES );
glVertex3f( . . . );
glVertex3f( . . . );
glEnd( );
• No implica un orden en la lista de vértices. Es suficiente con
tener la convención consistente para el tipo de geometría que
se tesela1 / subdivide.
1
De hecho los valores de coordenadas de los vértices no tiene porque ser
reales, los podemos utilizar como parámetros geométricos.
11 /
Etapa de Teselación Conceptos
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Número de vértices en el patch
Se suele recomendar establecer previamente el número de vértices
que compone cada parche.
glPatchParameteri( GL_PATCH_VERTICES, num );
De esta forma no es necesario indicar con el par glBegin / glEnd
el inicio y el final de una primitiva.
Es suficiente con ir enumerando los vértices.
Una vez alcance num vértices, se iniciará la siguiente primitiva.
Conceptos
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Subetapas en la teselación
datos por
vértice
parche de
salida
v
TCS
parche
inicial
niveles de
teselación
TPG
1
TES
0
OpenGL 4 Shading Language Cookbook
Conceptos
1 u
primitivas generadas
en coordenadas de
teselación (espacio
de parámetros)
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Tessellation Control Shader (TCS)
• Su función es preparar los puntos de control final y determinar
cuánto se va a teselar.
• Es llamado una vez por cada punto de control y toma como
entrada num vértices modificados por la etapa anterior.
• Transforma las coordenadas de entrada para formar una
representación de una superficie regular
• el cálculo del nivel necesario de teselación dependerá de los
criterios escogidos:
◦ área ocupada en espacio de pantalla
◦ curvatura de la superficie
◦ rugosidad del mapa de desplazamiento. . .
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TCS: Parámetros y variables de entrada
El TCS recibe de la etapa anterior una estructura gl_in[] por
vértice de control, que contiene:
vec4 gl_Position;
float gl_PointSize;
float gl_ClipDistance[ ];
Además de las siguientes variables:
• int gl_InvocationID indica sobre que vértices de salida se
está trabajando. Es el índice de la estructura gl_out[], Se
puede leer cualquier valor del array, pero sólo escribir en éste.
• int gl_PatchVerticesIn Es el número de vértices en cada
patch, y la dimensión de gl_in[]
• int gl_PrimitiveID Es el número de elementos desde el
últimoglBegin() (el primero es 0)
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TCS: Parámetros y variables de salida
Se puede indicar al cauce cuántos puntos de control se dan como
salida2 , mediante el calificador layout:
layout( vertices = N ) out;
La estructura de datos de salida gl_out[] tendrá el número de
puntos de control (N) indicado:
vec4 gl_Position;
float gl_PointSize;
Y las variables gl_TessLevelOuter[4] y
gl_TessLevelInner[2]
2
el número de puntos de control está relacionado con el tipo de
ecuaciones geométricas que estemos utilizando para el parche. No tiene que
ver con cuantas primitivas se vayan a producir durante la teselación (ya que
dependen del número de niveles escogido).
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TCS: funcionamiento
• Las instancias de TCS se ejecutan de forma prácticamente
independiente → sin un orden relativo preestablecido
• Sin embargo, es posible que en ciertos puntos estas instancias
necesiten leer variables que otras instancias todavía no hayan
escrito
• barrier() permite establecer un punto de sincronización
pata todas las instancias de una misma primitiva
◦ Sólo se puede llamar desde la función principal del shader
◦ Y no debe ser invocada desde una porción de código que
potencialmente pueda dar lugar a divergencia de codigo (bucles
for, do, while. . . ramificaciones switch, ifs. . . )
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Tessellation Patch Generator (TPG)
Polymorph Engine
Vertex Fetch
Tesselator
Viewport Transform
Attribute Setup
Stream Output
También en la subetapa de teselación tenemos unidades
funcionales que internamente mantienen un diseño con
arquitectura streaming
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Tessellation Patch Generator (TPG)
• Es una etapa no programable que se ha incorporado en la
parte de funcionalidad fija del cauce gráfico
• No se puede cambiar su funcionamiento, pero puede
configurarse mediante parámetros
• Se invoca una vez por patch
• Crea el adecuado número de triángulos, quads o segmentos de
línea y sus posiciones como coordenadas paramétricas en un
sistema baricéntrico semiregular (u, v , w ) donde
0 ≤ u, v , w ≤ 1
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Tessellation Evaluation Shader (TES)
• Lee las coordenadas (u, v , w ) del TPG y las coordenadas de
los puntos de control del TCS y a partir de ellas:
◦ establece las coordenadas de salida (x , y , z)
◦ interpola los atributos a lo largo del parche
◦ aplica el desplazamiento (si tomamos datos de texturas)
• Hay una instancia de TES por vértice a generar
• Si se utiliza TES pero no TCS, se deben crear algunos datos
-en el programa principal- que normalmente daría el TCS
glPatchParameterfv( GL_DEFAULT_OUTER_LEVEL, float [4] );
glPatchParameterfv( GL_DEFAULT_INNER_LEVEL, float [2] );
La teselación interna y externa define el número de subdivisiones
del perímetro y el interior de la primitiva de entrada
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Patrón de interpolación
El patrón de interpolación generado por TPG se establece en el
layout de TES:
triangles equal_spacing
ccw
layout( quads
, fractional_even_spacing , cw , point_mode) in;
fractional_odd_spacing
isolines
{
•
•
•
•
}{
}{
{
El primer parámetro define el patrón de teselación
El segundo la separación entre segmentos
El tercero la orientación de los triángulos (de haberlos)
point mode le indica a TES que genere puntos en lugar de
triángulos o líneas
El funcionamiento por defecto genera triángulos con orientación
antihoraria uniformemente equiespaciados.
layout( triangles, equal_spacing, ccw ) in;
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Separación entre segmentos
• equal_spacing limita el nivel de tesleación entre [1, max ] y
redondea al entero más cercano. Cada segmento tiene igual
longitud
• fractional_even_spacing limita el nivel de teselación entre
[2, max ] y redondea al entero par más cercano.
• fractional_odd_spacing limita el nivel de teselación entre
[1, max − 1] y redondea al entero impar más cercano.
donde max es el valor devuelto por
GLuint maxLevel;
glGetIntegerv(GL\_MAX\_TESS\_GEN\_LEVEL, &maxLevel);
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Separación entre segmentos
En los dos fraccionales, los segmentos tienen igual longitud, salvo
el inicial y el final, cuyo tamaño es proporcional a la fracción del
nivel recortado.
Esto permite una transición suave entre niveles, que reduce el
efecto de popping
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TES: Parámetros y variables de entrada
El TES tiene acceso a la estructura de entrada gl_in[] que es
idéntica a la de salida gl_out[] del TCS
in int gl_PatchVerticesIn;
in int gl_PrimitiveID;
in vec3 gl_TessCoord;
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TES: Parámetros y variables de salida
Escribe la información para un único vértice mediante 3 variables:
vec4 gl_Position;
float gl_PointSize;
Sólo gl_Position es obligatoria, el resto son opcionales. Es
posible definir variables de usuario para incorporar información
adicional.
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Niveles de división interna y externa
El TCS le dice al TPG cuántas primitivas tiene que generar
especificando los niveles de división interna y externa mediante
un par de arrays:
patch out float gl_TessLevelOuter[4]
patch out float gl_TessLevelInner[2]
quad
triángulo
isolínea
gl_TessLevelOuter[0]


















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Teselación en los quads: niveles de división
internos y externos
(u=0,v=1)
OL3
(u=1,v=1)
IL0
v
OL0
OL2
IL1
(u=0,v=0)
OL1
u
(u=1,v=0)
El nivel exterior viene
determinado por un array
en coma flotante de 4
elementos.
El nivel interior sólo por 2
elementos
La clave está en el orden
de dichos elementos al ser
aplicados (primero
externos, luego internos
en el orden de los índices
según su posición en el
dibujo - antihorario)
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internos y externos
Primero se subdivide el rectángulo en una malla regular de
rectángulos en la que el número de subdivisiones viene dado por
el nivel de teselación interno
v
u
gl_TessLevelInner[0] = 5
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internos y externos
Todos los rectángulos, salvo aquellos adyacentes a los bordes del
rectángulo original, se descomponen en pares de triángulos.
La especificación de OpenGL advierte “algorithm used to
subdivide the rectangular domain in (u, v) space into individual
triangles is implementation-dependent”
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internos y externos
Los rectángulos en la parte exterior son subdivididos de forma
independiente
=
=
=
=
1
2
4
5
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internos y externos
El área entre los rectángulos internos y los bordes externos se
rellena con triángulos que se producen al conectar los vértices del
borde exterior con el borde de la zona interior
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internos y externos
Ejemplo más simple:
del capítulo 6 del libro OpenGL Insights
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Teselación en triángulos: niveles de división
internos y externos
coordenadas
baricéntricas
u
w
Se determina en coordenadas
baricéntricas.
Este sistema de coordenadas da una
única representación única a cada
punto (u, v , w )
La clave está en el orden de dichos
elementos al ser aplicados (primero
externos, luego internos en el orden
de los índices según su posición en
el dibujo).
v
(u=0,v=1,w=0)
OL0
OL2
IL0
(u=0,v=1,w=0)
OL1
(u=1,v=0,w=0)
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internos y externos
Primero, temporalmente se subdivide cada arista en triángulos
equiláteros utilizando el nivel de teselación interna n
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internos y externos
Se genera un triángulo interno con las aristas subdivididas en n-2
segmentos
35 /
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internos y externos
Se continúa generando triángulos anidados en el interior hasta
que se alcanza el nivel de subdivisión 1 ó 0
36 /
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internos y externos
Se continúa generando triángulos anidados en el interior hasta
que se alcanza el nivel de subdivisión 1 ó 0
37 /
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internos y externos
Se descarta la subdivisión temporal y se reconecta de acuerdo
con el muestreo indicado en los parámetros.
38 /
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internos y externos
Ejemplo más simple:
del capítulo 6 del libro OpenGL Insights
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Teselación en triángulos: ejemplo en un icosaedro
Fijaros bien en la relación entre niveles internos y externos:
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Teselación en triángulos: ejemplo en un icosaedro
Depende del efecto buscado:
inner = 1
outer = 1
inner = 3
outer = 1
inner = 1
outer = 4
% http://prideout.net/blog/?p=48
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Teselación en isolíneas: niveles de división
internos y externos
Se crean n segmentos de líneas paralelas subdivididas en m
segmentos, donde m y n son los dos primeros niveles de
teselación.
u  1, v  1
u  1, v  1
v
v
u
gl_TessLevelOuter[0] = 3
u
42 /
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Consideraciones al establecer los niveles de
subdivisión
Los niveles vienen determinados por criterios
• estéticos: para que la imagen sintética tenga suficiente calidad
(pero no tiene sentido invertir recursos en subdividir más allá
de lo que se puede percibir)
• Evitar cracks: los parches vecinos deben encajar
apropiadamente, lo que implica que tengan un borde exterior
con el mismo nivel y que sus vértices estén alineados y encajen.
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Impacto relativo en GPUs poco potentes
Sin teselación: 30 fps
44 /
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Con teselación uniforme (Inner: 2, Outer: 2): 9 fps
45 /
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Con teselación uniforme (Inner: 3, Outer: 2): 6 fps
Se puede mejorar mucho si se hace en función de la distancia al 46 /48
Etapa de Teselación Niveles de división internos y externos
46/48
Vídeo
http://www.youtube.com/watch?v=NH7hO2kSE4s
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Bibliografía sobre arquitectura unificada
• OpenGL Insights. Patrick Cozzi y Christophe Riccio. A K
Peters/CRC Press - Capítulos 6 y 10
• Graphics Shaders: Theory and Practice. Mike Bailey, Steve
Cunningham. Second Edition. A K Peters/CRC Press
• Programming Massively Parallel Processors – A Hands-on
Approach. D. B. Kirk and W. W. Hwu. Morgan Kaufmann.
48 /
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Tema 2.4 Etapa de Teselación

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