Estrategias de Optimización

1. Estrategias de Optimización Visualización II – 2009 Ing. Juan P.D’Amato

2. Navegación interactiva?

3. Simulación en tiempo Real ?

4. Principio general • Los datos en 3D pueden ser muy complejos para representar en tiempo real • Se necesita reducir la cantidad de triángulos a renderizar en la escena • Una solución, elegir los datos a representar • Otra solución, simplificar el modelo • Como evaluar la fidelidad de los modelos simplificados ? >200,000 Triángulos

5. Contenido • Frustum • División del espacio • N-Trees, Grillas, Planos • LODS • Discreto, Continuo, View-Dependent • Otros métodos • Clonado • Reemplazo por textura • Detección de colisiones

6. Consideraciones de los métodos de Optimizaciones • Relación Eficiencia del método con respecto a Eficiencia ganada • Espacio utilizado por las estructuras intermedias • Reacción ante cambios

7. Selección de elementos visiblesFRUSTUM de Vista • La posicion y dirección de la vista genera un volumen -> El Frustum de Vista • Los elementos que nos interesan se deben encontrar dentro de este volumen

8. Técnicas de División del espacio • Estrategias de clasificación de los elementos para accederlos eficientemente • Grillas Regulares • N-Trees (Quadtrees / Octrees /Kd-Trees / BSP Trees ) • Bounding volumes

9. División del espacio Árboles BSP • Los BSP(Binary Space Partition) son una generalización de los kD-trees: los planos no necesariamente deben estar alineados a los ejes • Los elementos se clasifican por planos El motor del Half Life 2 se basa en BSP

10. Clasificación • Para todos los triángulos T del Objeto • Hang(root, T) • Hang (node , triangle) • If (node.isLeaf) • Node.add(triangle) • else • Pos = classify ( node.plane, triangle) • If (pos = Front) • Hang(node.front,triangle) • Else • Hang(node.back, triangle) Los elementos que nos interesan se deben encontrar dentro de este volumen

11. Rendering • Render(node, eyePos) • Pos = classify (node.plane, eyePos) • //estoy frente al plano • If (pos = Front) • Render(node.front, eyePos) • renderElements() <- chequea que son visibles • Render(node.back, eyePos) • Else • Render(node. back, eyePos) • renderElements() • Render(node. front, eyePos)

12. División del espacio Quadtree • Es una grilla regular, organizada jerárquicamente • Se divide la escena en cuatro bloques, con dos planos alineados, y en forma recursiva • Se crea un árbol con cuatro nodos hijos

13. División del espacio Quadtree - Overhead • Número de bloques en un nivel: n(nivel) = 4nivel • Número total de bloques: N(nivel) = 40 + 41 + 42 + … + 4nivel = (4 (nivel+1) – 1) / 3 • El overhead final en comparación a una grilla regular: • 33% de bloqueas extras

14. División del espacio Árboles n-arios – Pros y Cons • Ventajas • Genera una buena distribución de los elementos • El costo de búsquedas es de ( log #Elementos) • Desventajas • Mayor complejidad para visualizar • Las modificaciones tienen un costo elevado

15. División del espacio Grillas Regulares - Overhead • Idea : solo procesar los bloques cercanos al observador. • Los bloques lejanos pueden eliminarse • La carga/descarga de los bloques varía de acuerdo a la posición de la cámara • El uso de memoria es constante

16. División del espacio Grillas Regulares– Pros y Cons • Ventajas: • Es simple implementarlo con arreglos 2D, y también para llevarlo a 3D • Desventajas: • Sirve cuando la distribución en el espacio es homogénea • Ideal para organizar objetos en escenas

17. División del espacio Bounding Volumes • El espacio se divide por volúmenes • Se usan representaciones matemáticas simples(Esferas, cubos, prismas (boxes)) • Los volúmenes pueden subdivirse en secciones más pequeñas • Usado generalmente con objetos completos • El bounding volume óptimo se calcula durante el pre-procesamiento • Lo más común es utilizarse en colisiones de objetos

18. División del espacio Bounding Volumes - Esferas • Requiere dos datos únicamente: • Posiciones con respecto al centro del objeto y radio de la esfera

19. División del espacio Bounding Volumes - Boxes • AABB (Axis Aligned Bounded Box): • Rápido para calcular las colisiones, pero no se adecuan perfectamente al objeto • AABB se re calcula cuando el objeto rota o se mueve

20. División del espacio BoundingVolumes – Convex Hull • Los “convex hull” pueden utizarse • Es más costoso su manejo: • Rotación • Cálculo de intersección • Punto interno al volumen

21. División del espacio Bounding Volumes - Boxes • Bounding boxes orientados (OBB) son más adecuados al objeto pero más costosos para hacer los cálculos: • Los OBBs para objetos estáticos pueden calcularse previamente • Alternativa : aplicar las mismas transformaciones que el objeto antes de aplicar los cálculos • Conclusión: balancear las diversas técnicas de BV

22. División del espacio Bounding Objects – Pros & Con • Ventajas: • Cálculos simples • Requieren poco espacio en memoria (para la esfera es una posicion y un radio) • Desventajas • No tienen buena precisión • No reducen la cantidad de polígonos a representar

23. Renderizar BO • Para todos los objetos3D O de la escena • //Método abstracto de la clase Bound • If (O.bounding.insideFrustum() • O.Render • Else • Continue;

24. Level of Detail: La idea • El problema: • Conjuntos de datos pueden ser muy complejos para representar en tiempo real • Una solución: • Usar geometría mas simples de modelos pequeños o distantes. • Eso es lo conocido como Level of Detailor LOD

25. Level of Detail: La idea • Crear levels of detail (LODs) de los objetos: 69,451 polígonos 2,502 p 251 p 76 p

26. Level of Detail: La idea • Level of detail (LOD) es una herramienta para mantener la interacción • Balancea la relación perfomance/fidelidad de las mallas • Puede usarse junto con otras técnicas: • Parallel rendering • Occlusion culling • Image-based rendering • Tipos principales de LOD • Discreto/sustitución (1976) • Continuo (1996)

27. Level of Detail:LOD Discreto • LOD tradicional: • Los LODs de cada objeto se crean previamente con una resolución determinada • En tiempo de ejecución se elije el LOD adecuado de acuerdo a la distancia (o por otro criterio)

28. Level of Detail Continuo:Pros • Ventajas • Granularidad adecuada: • Utiliza los polígonos más representativos • La fidelidad es la más elevada • La mejor aproximación para objetos muy detallados • Permite simplificarlos drásticamente • Desventajas • Es costoso en tiempo real

29. Level of Detail :Usar LODs (o no) • Combinar con otras técnicas (BSP, Octree) • Cuando usar esta técnica en la escena, y con qué objetos? • LOD discretos : objetos muy replicados y con un número razonable de polígonos • LOD continuo : Mapas, grillas de agua (espacios navegables y uniformes)

30. Donde mas se usa LOD? • Texturas (mippmaps)

31. Otros métodosSimplificación por apariencia • Utilizar texturas en lugar de triángulos • Se aplican mapas de normales (bumpmaps) calculados para recrear las “sombras” del elemento • Se puede automatizar el cálculo de los mapas de normales si la topología de la malla es relativamente simple

32. Otros métodosSimplificación por apariencia 10 k Triangulos + Shading 1683 k Triangulos 10 k Triangulos

33. Otros métodos Clonado de objetos • Se tienen varias instancias del mismo objeto, del que solo cambian las transformaciones o atributos mínimos, como el color • Por cada nuevo objeto • Se hace referencia a la misma estructura de la geometría (vértices, triángulos, texturas ) • Se crean las transformaciones propias a cada objeto

34. Otros métodos Pre-rendered on texture • Renderizar el objeto a textura • En el momento del render, se dibuja un polígono con la textura mapeada • Útil para objetos estáticos, como árboles o edificios

35. Resumen

36. Que provee Opengl para optimizar? • No provee estructuras tipo Octrees o BSP pero provee mecanismos para el manejo de datos • Estructuras + eficientes • LODs de Textura (Mippmaps) • Culling Queries • Splines variables en GPU (sólo en placas nuevas) • Planos de corte

37. OpenGL : Modo Inmediato • Render : // Cada cara es un triangulo while (i<numFaces) glBegin(GL_TRIANGLES) glVertex3fv( Vertexes[ Faces[i] ]) glVertex3fv( Vertexes[ Faces[i+1] ]) glVertex3fv( Vertexes[ Faces[i+2] ]) i+=3 glEnd()

38. OpenGL : Listas • OffLine genLists(listID); //offline while (i<numFaces) glBegin(GL_TRIANGLES) glVertex3fv( Vertexes[ Faces[i] ]) glVertex3fv( Vertexes[ Faces[i+1] ]) glVertex3fv( Vertexes[ Faces[i+2] ]) i+=3 glEnd() • Render glCallList(listID); -> transfer\Transfer.exe

39. Culling Queries • La idea : Verificar que un objeto será dibujado en pantalla • 1ro.- Se renderizan objetos simples, tipo esferas o cajas • 2do.- Se leen cuantos píxeles afectaron del Buffer • Si la cantidad de pixeles > cota • 3ro.- Se renderiza la escena final Código OpenGL : // Deshabilito la profundidad glDepthMask(GL_FALSE); // Habilito el test de Occlusion glEnable(GL_OCCLUSION_TEST_HP); // Dibujo el Bounded glutSolidCube(S_SIZE*2); glDisable(GL_OCCLUSION_TEST_HP); // Obtengo el resultado glGetBooleanv(GL_OCCLUSION_TEST_RESULT_HP, @isVisible);

40. Detección de Colisiones • Detección de colisiones comprende encontrar donde dos (o más) primitivas se intersecan Las colisiones pueden ser muy complejas

41. Detección de Colisiones • Los problemas principales: • Una detección correcta requiere chequear cada polígono de un objeto con todos los del otro : O(#polígonos2), • Calcular el tiempo en que se producirá una colisión • Encontrar el punto de intersección entre ambos

42. Detección de ColisionesTécnicas para dos objetos • Detección de colisiones con Bounding Spheres. Eficiente para calcular si un punto p es interno |p – Scentre| < Sradius • Detección de colisiones con bounding boxes alineados a los ejes (eng: AABB) • Intersección muy simple AABBs • Dados dos AABBs A & B, no existe intersección si: • (AXmax < BXmin) || // A totalmente a la izquierda B • (AXmin > BXmax) || // A totalmente a la derecha B • (AYmax < BYmin) || // A totalmente por debajoB • (AYmin > BYmax) || // A totalmente por arriba B • (AZmax < BZmin) || // A totalmente al frente B • (AZmin > BZmax) // A totalmente por detrás B

43. Detección de ColisionesTiempo de respuesta • El problema del time stamp fijo: • Si la intersección se calcula en cada frame => Ciertas colisiones pueden perderse. • Un objeto a gran velocidad puede atravesar totalmente a otro objeto en ese plazo de tiempo.

44. Detección de ColisionesTiempo de respuesta • Se debe calcular un tiempo correcto • Una colisión errónea puede producir efectos diferentes a los esperados

45. Detección de ColisionesTiempo de respuesta • Soluciones al problema del timestamp • Cálculo de colisiones no dependientes del Frame Rate • Estimar el tiempo posible de la colisión • Usar un volumen mayor para las colisiones • Clasificar los objetos de acuerdo a la velocidad

46. Detección de ColisionesTiempo de respuesta • Remover pares de objetos que nunca colisionarán • Realizar pruebas con BOs simples • No testear objetos que se encuentran muy separados • Obviar objetos no-visibles

47. Detección de ColisionesGrupos de Colisiones • Se distribuyen los objetos utilizando grillas regulares. • Se comparan los objetos con no más de una celda de distancia: • for all objects O • for y = O.grid_y-1 to O.grid_y+1 • for x = O.grid_x-1 to O.grid_x+1 • for all objects O’ in grid(x,y) • check collision O <-> O’

48. Detección de ColisionesÁrboles de Bounding Volumes • Árboles de Bounding volumes: BSP u Octrees • Chequear objetos/polígonos contra el contenido del nodo del árbol • Si hay intersección, seguir con los hijos del nodo • Chequear entre dos árboles A y B: • Chequear intersección entre los nodos de A y B • Si no hay intersección • Exit • Si A o B son hojas • Retornar intersección más cercana • Sino • 1. Para cada par de hijos de A, B • chquear Intersección

49. Detección de ColisionesGrupos de Colisiones

50. Links • Tutorial Frustum • http://www.lighthouse3d.com/opengl/tutorials/ • http://graphics.cs.cmu.edu/projects/