Visualização Interativa de Modelos Massivos de Engenharia na Indústria de Petróleo com o Algoritmo de Voxels Distantes

Transcrição

1 Visualização Interativa de Modelos Massivos de Engenharia na Indústria de Petróleo com o Algoritmo de Voxels Distantes Gustavo Wagner Marcelo Gattass Alberto Raposo

2 Desafio P-50 (modelada no 3dsmax) 1.2 milhões de triângulos 5 mil objetos P-40 (modelada no 3dsmax) 300 mil triângulos 2.3 mil objetos P-50 (modelo de engenharia) 30 milhões de triângulos 1.2 milhões de objetos P-40 (modelo de engenharia) 22 milhões de triângulos 500 mil objetos

3 Desafio Modelos de engenharia Muitos objetos Alta complexidade geométrica P milhões de triângulos 1.2 milhões de objetos Boeing milhões de triângulos

4 Desafio Impossível manter os maiores modelos por inteiro na memória principal A memória da placa gráfica tem capacidade ainda menor Enviar toda a geometria para a placa é muito ineficiente Vértices demais para transformar Muitas superfícies ocultas sendo redesenhadas Não é viável remover os detalhes do modelo Muitas vezes, estes são o objetivo da visualização

5 LOD Soluções Objetos que ocupam uma pequena menor na tela podem ser representados de forma simplificada sem grandes perdas de informação visual Técnicas de LOD já são estudadas a vários anos Mas se especializaram em simplificar um único objeto extremamente tesselado

6 Introduzir os Voxels Distantes...

7 HLOD com Voxels Distantes Diferentes níveis de resolução estruturados em uma hierarquia de níveis de detalhe (HLODs) A raiz, que contém todo o modelo se subdivide para formar nós mais detalhados Nas folhas: geometria original do modelo Nos outros nós: representações simplificadas usando voxels Nó raiz (Voxels) 100% do modelo Nó intermediário (Voxels) 50% do modelo Nó intermediário (Voxels) 50% do modelo Nó folha (Triângulos) 25% do modelo Nó folha (Triângulos) 25% do modelo Nó folha (Triângulos) 25% do modelo Nó folha (Triângulos) 25% do modelo

8 Geração da hierarquia A hierarquia é gerada pela subdivisão sucessiva do modelo usando uma octree até que cada nó tenha um número máximo pré-definido de faces Em alguns casos, é interessante deixar de dividir um nó em uma das direções para gerar nós com formas mais próximas às de um cubo *

9 Geração da hierarquia A hierarquia é gerada pela subdivisão sucessiva do modelo usando uma octree até que cada nó tenha L um número máximo menor pré-definido de faces Em alguns casos, é interessante deixar de dividir um nó em uma das direções para gerar nós com L formas maior mais próximas às de um cubo * L L maior menor L L menor maior 2 L 2 maior 2 2L menor Lmaior 2L menor

10 Disposição dos Voxels Distantes Os voxels são dispostos numa grade 3D regular Idealmente, cada voxel deve ocupar um pixel quando projetado na tela Essa condição só é violada quando: O carregamento em segundo plano atrasa O usuário configura a aplicação para usar voxels de tamanho maior

11 Voxels Distantes para superfícies planas Voxels para superfícies planas (ou quase planas) Podem ser codificados com apenas uma cor difusa e uma normal (duas cores, caso a face oposta também seja visível) A cor e a normal do voxel é a média das cores e normais das superfícies visíveis contidas dentro dele T

12 Voxels para superfícies complexas Nem todas as superfícies são bem comportadas Alguns voxels podem ter normais ou cores que variem com a direção de visualização Para representá-los, usamos voxels que permitem cores e normais independentes para cada uma das 6 direções principais de visualização (±x, ±y, ±z) Quando vistos de direções intermediárias, esses dados são interpolados (a) (b) (c)

13 Geração dos voxels - Traçado de raios (1) Os voxels são gerados a partir de uma análise do modelo CAD em pré-processamento Cada voxel representa as superfícies visíveis contidas dentro dele As superfícies visíveis são determinadas por um algoritmo de traçado de raios Sem o traçado de raios, superfícies ocultas contribuiriam para a formação da cor final do voxel

14 Geração dos voxels - Traçado de raios (2) Para cada grade de voxels V a ser gerada, são traçados raios a partir de uma superfície S afastada d min de V d min é calculado como sendo a distância mínima que a câmera estará de V durante a visualização Apenas as superfícies que forem atingidas por raios serão representadas Superfícies internas, que nunca fiquem visíveis nessa representação, não são representadas Essa técnica é denominada Oclusão ambiental e conseguiu eliminar 57% dos voxels no nosso modelo mais pesado Para aumentar ainda mais a eficiência dessa técnica, todas as superfícies fora de V mas dentro de S são usadas no cálculo de oclusão d min V S

15 Percurso da cena Durante a renderização, o visualizador deve decidir se deve usar a representação existente em cada nó ou se deve continuar o percurso procurando nós mais detalhados Essa decisão é baseada no tamanho do voxel projetado na tela Nós fora da pirâmide de visão são descartados sempre que encontrados Voxels Voxels Voxels Os voxels desse nó, quando projetados na tela, são maiores que 1 pixel? Voxels Voxels Voxels Voxels Triângulos Triângulos Triângulos Triângulos Triângulos Triângulos Triângulos Triângulos

16 Paginação de dados Durante o percurso, serão encontrados alguns nós que ainda não estão carregados Nesse momento, visualizador envia um pedido ao carregador de dados, que está rodando em outra thread Enquanto esse dado não é carregado, a representação do pai terá que ser usada, mesmo estando com voxels maiores que um pixel O tamanho projetado dos voxels do pai define a prioridade com que os nós devem ser carregados Voxels Voxels Voxels Voxels Voxels Voxels

17 Testes de oclusão em hardware (1) Testes de oclusão em hardware podem evitar que partes invisíveis do modelo sejam desenhadas Basta fazer uma consulta usando a caixa envolvente dessa parte antes de desenhá-la Isso exige que os objetos sejam desenhados do mais próximo da câmera ao mais distante Durante o percurso da cena, basta visitar os filhos de cada nó por ordem de proximidade

18 Testes de oclusão em hardware (2) Renderização em 2 etapas: 1. São renderizados todos os nós (de geometria ou de voxels) Se ele estava visível no quadro anterior, renderizá-lo normalmente, emitindo um teste de oclusão Se ele estava invisível no quadro anterior, renderizar apenas a sua caixa envolvente, também com teste de oclusão 2. Os resultados dos testes são recolhidos Os resultados dos testes realizados na etapa anterior são recolhidos e guardados para serem usados no quadro seguinte Todos os nós que tiverem sido determinados como visíveis e ainda não tiverem sido desenhados, devem ser desenhados nesse momento

19 Testes de oclusão em hardware (2) Renderização em 2 etapas: 1. São renderizados todos os nós (de geometria ou de voxels) Se ele estava visível no quadro anterior, renderizá-lo normalmente, emitindo um teste de oclusão Se ele estava invisível no quadro anterior, renderizar apenas a sua caixa envolvente, também com teste de oclusão 2. Os resultados dos testes são recolhidos Os resultados dos testes realizados na etapa anterior são recolhidos e guardados para serem usados no quadro seguinte Todos os nós que tiverem sido determinados como visíveis e ainda não tiverem sido desenhados, devem ser desenhados nesse momento

20 Geração de VertexBufferObjects VertexBufferObjects permitem que a geometria renderizada não precise ser enviada à placa gráfica a cada quadro Um problema: É necessário alocar a memória a ser usada na placa gráfica na hora de criá-los Sempre que não houver memória, devemos enviar os dados da forma tradicional Até que a memória necessária seja liberada

21 Voxels com filtro de anti-serrilhamento Um defeito encontrado na técnica de voxels é que objetos muito menores que um voxel acabam sendo inchados quando representados por estes

22 Voxels com filtro de anti-serrilhamento O mesmo ocorre no modelo do Boeing, mas nele existem poucos objetos desse tipo visíveis...

23 Voxels com filtro de anti-serrilhamento O mesmo ocorre no modelo do Boeing, mas nele existem poucos objetos desse tipo visíveis...

24 Voxels com filtro de anti-serrilhamento O mesmo ocorre no modelo do Boeing, mas nele existem poucos objetos desse tipo visíveis...

25 Voxels com filtro de anti-serrilhamento Solução: simular o anti-serrilhamento das placas gráficas tornando os voxels com pequenos objetos semi-transparentes A transparência de cada voxel é definida pela visibilidade calculada durante o traçado de raios Se muitos raios atravessam um voxel sem atingir nenhuma superfície dentro dele, ele é um forte candidato a voxel que contém um objeto muito pequeno

26 Voxels com filtro de anti-serrilhamento Numa situação ideal, teríamos: Para cada possível direção a percentagem de raios que atingiram superfícies dentro do voxel e que passaram através dele Essa percentagem corresponde à opacidade daquele voxel quando visto daquela direção Mas, é inviável guardar toda essa informação em memória de vídeo Temos que aproximar o resultado

27 Voxels com filtro de anti-serrilhamento A transparência do voxel pode ser aproximada com um valor para todas as direções de onde ele é visualizado Para voxels que tenham uma transparência semelhante quando vistos das várias direções Ou pode ser aproximada por 6 valores armazenados para as 6 direções alinhadas com os eixos (±x, ±y, ±z) Quando vistos de direções que não são alinhadas, a transparência é interpolada Representação semelhante à dos voxels com múltiplas cores/normais É necessário cuidado antes de tornar um voxel transparente Partes de objetos grandes também podem ficar transparentes

28 Voxels com filtro de anti-serrilhamento No OpenGL, objetos transparentes devem ser renderizados: Após toda a geometria opaca Do mais distante ao mais próximo Não queremos ter que ordenar os voxels transparentes a cada quadro Evitar operações que manipulem dados por primitiva Solução: Podemos renderizar os voxels transparentes após todos os voxels opacos terem sido renderizados Como eles são pouco numerosos e estão bem espalhados, quase não notamos as falhas causadas Apenas quanto tempos muitos voxels transparentes próximos uns dos outros Para reduzir o efeito causado, podemos reordenar os voxels transparentes de forma aleatória Mesmo que ocorram falhas por causa da ordenação, ela não vai tornar todos os voxels de um grupo transparentes

29 Voxels com filtro de anti-serrilhamento (anti-serrilhamento sem randomização de voxels) (anti-serrilhamento com randomização de voxels)

30 Voxels com filtro de anti-serrilhamento

31 Testes de Desempenho Os testes foram realizados num computador com a seguinte configuação: Processador: Athlon X Memória: 4 GB Placa 3D: nvidia GeForce 8800 GTX (768 MB) Modelo Faces Vértices P-38 8 milhões 10 milhões P milhões 19 milhões P milhões 38 milhões

32 Testes de Desempenho P-38

33 Testes de Desempenho P-38 Com o desenho desabilitado, houve ganho de performance Isso indica que a CPU não estava limitando o desempenho

34 Testes de Desempenho P-38 Com a iluminação desabilitada (tanto nos voxels quanto na geometria), houve ganho de desempenho O estágio de vértices está limitando o desempenho

35 Testes de Desempenho P-38 Com o anti-serrilhamento em hardware desabilitado, não houve ganho de desempenho O gargalo não está na rasterização

36 Testes de Desempenho P-40

37 Testes de Desempenho P-40 Com o desenho desabilitado, houve ganho de performance Isso indica que a CPU não estava limitando o desempenho

38 Testes de Desempenho P-40 Com a iluminação desabilitada (tanto nos voxels quanto na geometria), houve ganho de desempenho O estágio de vértices está limitando o desempenho

39 Testes de Desempenho P-40 Com o anti-serrilhamento em hardware desabilitado, houve bastante ganho de desempenho O gargalo está na rasterização (além de estar na transformação de vértices, como visto no slide anterior)

40 Testes de Desempenho P-50

41 Testes de Desempenho P-50 Na maior parte da navegação, houve ganho ao desabilitarmos o desenho O desempenho não estava limitado pela CPU Entre os instantes 80 e 105, não houve ganho de desempenho com o desenho desabilitado Nesses instantes, a CPU estava limitando o desempenho

42 Testes de Desempenho P-50 Não houve ganho de desempenho com o anti-serrilhamento em hardware desabilitado A rasterização não é o gargalo

43 Testes de Desempenho P-50 O teste realizado com a iluminação desabilitada o gargalo na CPU entre os tempos 80 e 105 Nesse trecho, não houve ganho de desempenho ao diminuirmos a carga na etapa de transformação de vértices Entre os instantes 30 e 55 temos um resultado inesperado: O visualizador não está limitado pela CPU O visualizador não está limitado pelo estágio de vértices O visualizador não está limitado pela rasterização Isso pode indicar que o desempenho está sendo limitado por alguma operação que não foi medida nesses testes Por exemplo: A transferência de geometria recém carregada para a placa gráfica

44 Testes de Desempenho Voxels Anti-serrilhados A perda de desempenho com o uso do anti-serrilhamento de voxels foi pequena Esses voxels são pouco numerosos Não foi criado um aumento significativo no processamento em CPU necessário para tratálos

45 Testes de Desempenho Múltiplas P-50s

46 Testes de Desempenho Múltiplos Modelos

47 Conclusões e Trabalhos Futuros O visualizador desenvolvido contribuiu para melhorar o desempenho nos modelos que precisamos visualizar Ainda há o que melhorar Diminuir o uso de CPU durante o percurso da cena para evitar que ela se torne um gargalo Procurar formas de representar os dados enviados à GPU usando menos memória Facilita a transferência Permite colocar mais dados na GPU Melhorar a representação de voxels para reduzir ainda menos os defeitos visuais Ou procurar uma representação alternativa