Determinação de Superfícies Visíveis

Transcrição

1 Determinação de Superfícies Visíveis 35T56 Sala 3E3 Bruno Motta de Carvalho DIMAp Sala 15 Ramal 227 1

2 Raytracing O raytracing automaticamente incorpora a determinação de superfícies visíveis na sua execução Isso acontece devido ao fato de que uma parte central do raytracing é o cálculo do objeto interceptado pelo raio que está mais próximo da posição de observação 2

3 Polígonos Entretanto, a maioria dos modelos representados em CG não são modelos implícitos, adequados ao uso com raytracing, e sim tesselações de superfícies em polígonos Uma saída seria usar raytracing com os polígonos (caro), mas o mais adequado é o uso do hardware especializado das placas gráficas 3

4 Polígonos O pipeline de renderização de polígonos das placas gráficas são extremamente rápidas Usam o algoritmo de determinação de superfícies visíveis Z buffer, que é extremamente eficiente Usa uma regra para cálculo das intensidades nos pixels que interpola valores conhecidos nos vértices dos polígonos 4

5 Z buffer Polígonos aproximam geometria correta e método de iluminação não global aproxima iluminação da cena Calcula e compara valores de profundidade (z) de cada pixel e armazena menores valores em um buffer Muito mais rápido do que resolver várias equações implícitas de superfícies por pixel (se usando superamostragem) 5

6 Raytracing X Polígonos Renderização de polígonos usando Z buffer é rápida mas produz imagens de menor qualidade do que raytracing que é bem mais demorado A renderização de polígonos usando z buffer pode ser feita em tempo real, raytracing não, porque Raytracing em geral calcula um número maior de amostras O cálculo dos t s é mais caro do que o dos z s Hardware pode desenhar vários triângulos simultaneamente 6

7 Raytracing X Polígonos Entretanto: Alguns especialistas apostam que implementações otimizadas de raytracing vão se tornar competitivas com renderização de polígonos usando hardware especializado em termos de velocidade Pipelines de polígonos tem de considerar todos os polígonos dentro do volume de visão, enquanto que em raytracing, o traçado do raio é interrompido após atingir o primeiro objeto opaco Quando o número de objetos no volume de visão é muito grande, raytracing é mais rápido do que a renderização de polígonos usando hardware 7

8 Raytracing X Polígonos Mas: 8 Como comparar as duas abordagens? Quantas amostras por pixel? Quão fina deve ser a tesselação para ser comparável a saída do raytracer? Velocidade de renderização de polígonos estão dobrando em média a cada seis meses!! Enquanto isso, velocidade dos processadores centrais dos computadores (usados pelos raytracers) estão dobrando em média a cada dezoito meses

9 Determinação de Superfícies Visíveis Também chamada de remoção de superfícies escondidas Consiste em, dados um conjunto de objetos tridimensionais e uma especificação de visão, se determinar quais linhas ou superfícies do objeto estão visíveis Objetos podem não estar visíveis devido a oclusão ou recorte 9

10 Determinação de Superfícies Visíveis Os primeiros algoritmos desta área se preocupavam com a remoção de linhas escondidas e eram aplicáveis a wireframes A não ser que completamente alinhadas, linhas não escondem linhas, mas neste caso as linhas são arestas de polígonos opacos. Em alguns casos, as linhas escondidas são desenhadas pontilhados ou com halos 10

11 Determinação de Superfícies Visíveis Existem três classes de algoritmos: Testes de visibilidade conservadores (subdivisão espacial, recorte do volume de visão canônico, eliminação de faces traseira) Somente realizam rejeições triviais, resultados tem de ser processados por outros algoritmos De precisão de imagem (raytracing, Z buffer) calculam visibilidade em pontos discretos na imagem De precisão de objeto (ordenação de profundidade 3D, árvores BSP, polígonos recortando polígonos) calculam visibilidade de maneira exata para depois amostrar os resultados 11

12 Determinação de Superfícies Visíveis Acelendo algoritmos (explorando coerências): Reutilização de cálculos prévios Pixels adjacentes tendem a ser do mesmo objeto Conjunto de objetos visíveis não muda muito quando o ponto de observação se move incrementalmente (jogos usam essa característica para acelerar suas renderizações) 12

13 Técnicas de Eliminação Importante na diminuição da quantidade de cálculos a serem feitos Congrega técnicas de subdivisão espacial, volumes de delimitação e eliminação de faces traseiras Extensões e volumes de delimitação englobam um objeto complexo com um objeto mais simples, como esfera, elipsóide, paralelepípedo 13

14 Volumes de Delimitação Se o volume de delimitação não é visível, o objeto interno também não é visível Um volume pode conter mais de um objeto Apropriado para uso com raytracing, pois teste de rejeição se torna mais rápido (podese inclusive testar um grupo de raios ao mesmo tempo) e para uso com hardware gráfico, pois pode se rejeitar objetos fazendo recorte com volume de delimitação 14

15 Hierarquia de Volumes de Delimitação Agrupa modelo inteiro em subespaços Subespaços podem ser agrupados entre si até que toda a cena esteja agrupada Estrutura hierárquica acelera cálculos de interseções Atrativo para raytracing e polígonos 15

16 Subdivisão Espacial Outra maneira de se organizar o modelo Construção top down, dividindo espaço em células e colocando objetos nas células Pode ser usado para acelerar ambas as técnicas 16

17 Subdivisão Espacial Pode ser feita usando grids regulares, octrees ou árvores BSPs Grids regulares fácil de se percorrer mas não leva em conta densidade de objetos na cena Octrees modelo hierárquico que se adapta a diferentes densidades da cena mas é mais difícil de se traçar um raio nele Árvores BSP mundo é dividido por planos arbitrários e objetos são classificados de acorco com o lado em que estão. Ainda mais sensível a cena e mais difícil ainda de se traçar um raio 17

18 Otimização Global de Cenas Técnicas híbridas funcionam melhor, combinando subdivisão espacial e volumes de delimitação Essas técnicas são vantajosas principalmente se a cena for renderizada várias vezes, pois esse pré processamento acelera os cálculos do raytracer e elimina polígonos mais facilmente Em cenas onde elementos estáticos predominam, pode se usar subdivisão preguiçosa 18

19 Eliminação de Faces Traseiras Assume que objetos são poliédros fechados com posição de observação exterior a eles Usa normal do polígono e vetor olhar para para determinar se polígono pode ou não ser eliminado (caso seu produto interno seja maior ou igual a 0) 19

20 Eliminação de Faces Traseiras Na tesselação os vértices são ordenados de uma forma que definam a direção da normal que sai da face Open GL calcula automaticamente a normal que sai da face a partir do produto cruzado de duas arestas consecutivas e elimina as faces traseiras Isso é feito simplesmente checando se o componente z do resultado 20

21 Z Buffer Z buffer é inicializado com o valor do plano traseiro = 1.0 Cada objeto é tratado e seus valores da coordenada z para os pontos (x,y) são comparados com os armazenados no z buffer Z pode ser calculado usando se a equação do plano para polígono, mas em geral usa se os valores dos vértices e interpola se para outros pontos Se o novo valor z para (x,y) é menor do que o atual no z buffer, substitui se esse valor e gravase a cor calculada neste ponto no frame buffer 21

22 22 Z Buffer Polígonos são convertidos em scans em ordem arbitrária e usa se o z buffer para resolver qual objeto está na frente = + =

23 Vantagens do Z Buffer Simplicidade permite implementações muito rápidas em hardware Polígonos não precisam ser ordenados Trata um polígono por vez Permitem composição de imagens já existentes (ótimo para adições incrementais à cena) Outros algoritmos podem gerar z buffers de uma cena 23

24 Desvantagens do Z Buffer Devido ao foreshortening perspectivo, objetos que estão muito distantes da câmera acabam tendo valores muito próximos e a informação de profundidade perde precisão, gerando problemas de ordenação para estes objetos Não pode ser feito anti aliasing pois para isso deve se conhecer todos os polígonos que intersectam um pixel 24

25 Algoritmo do Pintor Cria ordem dos objetos de acordo com suas coordenadas z e, como um pintor, desenha se os objetos na ordem de trás para frente Percorre se linha por linha e desenha polígonos usando tabelas de arestas e polígonos Funciona bem com transparências e anti aliasing 25

26 Algoritmos de Precisão de Objeto Algoritmo de Roberts compara arestas com todos os objetos, eliminando partes de arestas que são encobertas Extensão para superfícies consiste em recortar cada polígono usando as projeções de todos os polígonos na frente deste polígono (muito lento) Algoritmo de Newell et al. Trata ambiguidades na ordenação das coordenadas z 26

27 Algoritmos de Precisão de Objeto Ordenação dos polígonos pela coordenada z Resolva ambiguidades Compare extensão x Compare extensão y P está inteiramente na frente de Q? Q está inteiramente na frente de P? Compare as projeções x y Troque ou subdivida polígonos Desenhe polígonos de trás para a frente 27

28 Binary Space Partitioning (BSP) Além de divisão espacial, BSPs proveêm ordem de desenho Desenhe primeiro todos os polígonos atrás do polígono atual, o polígono atual, e depois os polígonos na frente do atual, isto é, percorra a árvore BSP em ordem Gasta tempo de pré processamento para diminuir número de cálculos cada vez que a posição de observação muda Quake III usa BSPs para acelerar eliminação por oclusão e testes de interseção 28

29 BSPs BSP 1: Escolha qualquer polígono e ordene outros pelo seu plano, dividindo polígonos quando necessário BSP 2: Processe sub árvore dos polígonos frontais 29

30 BSPs BSP 3: Processe aub árvore dos polígonos traseiros BSP 4: Uma BSP alternativa com o polígono 5 na raiz 30