Generación Procedural de Terrenos en la GPU

David Haro GásquezProgramación Avanzada sobre Tarjetas Gráficas

David Haro Gásquez (2015)

Introducción

• La generación procedural de terrenos:• Obtener un modelo

realista 3D a partir de algoritmos• Obtención de vértices,

normales, coordenadas de texturas, etc.

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Estado del Arte: Mapas de alturas

Se almacena en una textura un valor de altura.Se desplazan los vértices de un plano con los valores de la textura

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Estado del Arte: Fractales

• Los fractales son objetos cuya estructura se repite a diferentes escalas• Autosimilitud

• Son muy repetitivas.

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Estado del Arte: Densidad y Marching Cubes

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Generating Complex Procedural Terrains Using the GPU

• Permite generar terrenos complejos en tiempo real.

• Aprovecha el alto grado de paralelización de las GPUs actuales y los Shaders de Geometría.

• Define métodos para calcular la geometría, la iluminación y las texturas de manera procedural.

Ryan Geiss – NVIDIA Corporation

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Marching Cubes

• Se divide el espacio en voxels.• Se calcula la densidad en cada uno

de los 8 vértices del cubo.• Se escoge un umbral que divide los

puntos que están dentro y los que están fuera y concatenan bit a bit

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Marching Cubes

• Los vértices 0, 6 y 7 están dentro del terreno

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Marching Cubes

• Lookup tables: el resultado se utiliza para acceder a una tabla que indica el número de polígonos que se deben generar para ese voxel

• En una segunda tabla se indican los índices de los bordes que deben conectarse para generar los triángulos

int case_to_numpolys[256]; int3 edge_connect_list[256][5];   

int3 edge_connect_list[193][0]:  11  5 10 int3 edge_connect_list[193][1]:  11  7  5 int3 edge_connect_list[193][2]:   8  3  0 int3 edge_connect_list[193][3]:  -1 -1 -1 int3 edge_connect_list[193][4]:  -1 -1 -1 

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La función de densidad

• La función de densidad es la parte esencial de este método. Se trata de generar una función que genere un resultado realista.

float density = -ws.y;  density += snoise(ws);

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La función de densidad

• Se utiliza una función o textura de ruido que se aplica a distintas octavas y a distintas amplitudes.

• Frecuencias altas generan más irregularidades en el terreno.• Frecuencias bajas y amplitudes grandes generan grandes estructuras

como cañones y montañas.

density += raw_noise_3d(x*15.93, y*15.93, z*15.93) * 0.12;density += raw_noise_3d( x*8.03, y*4.03, z*4.03) * 0.25;density += raw_noise_3d( x*1.96, y*1.96, z*1.96) * 0.51;density += raw_noise_3d( x*1.01, y*1.01, z*1.01) * 1.01;density += raw_noise_3d( x*0.08, y*0.08, z*0.08) * 3.99;density += raw_noise_3d( x*0.021, y*0.021, z*0.021) * 8.99;density += raw_noise_3d( x*0.007, y*0.006, z*0.005) * 32.2;

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Oclusión Ambiente: Normales

• Para obtener un modelo de iluminación realista han de calcularse las normales apropiadamente para cada uno de los vértices generados en el Geometry Shader.

• Se utiliza el gradiente de la textura de ruido normalizado como normal.

float d = 1.0/(float)voxels_per_block;  vec3 grad;grad.x = texture(uDensity, uvw + vec3(d,0,0)).r - texture(uDensity, uvw + vec3(-d,0,0)).r;grad.y = texture(uDensity, uvw + vec3(0,d,0)) r - texture(uDensity, uvw + vec3(0,-d,0)).r;grad.z = texture(uDensity, uvw + vec3(0,0,d)).r - texture(uDensity, uvw + vec3(0,0,-d).r;gNormal = normalize(grad);

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Ambient Occlusion

• Con esas normales se aplica el algoritmo de Oclusión Ambiente calculando en la semiesfera la cantidad de luz que es ocultada por otras partes del terreno.

• Se utilizan unos vectores fijos y se calcula la densidad en esos puntos (textura) para comprobar si existe terreno o no en esa dirección y calcular el factor de oclusión.

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Texturas: Proyección Plana Triple• Se utilizan 3 texturas para los distintos ejes y se mezclan.• Se utiliza la normal para saber la aportación de cada dirección• Si el componente más significativo de la normal es x, se aplica la

proyección plana de la textura en los ejes yz.

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Demostración

• Precálculo de las densidades en la CPU en un cubo de 129x65x129 vértices para un cubo dividido en 128x64x128 voxels.

• Precálculo del caso de Marching Cubes para cada voxel.

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Conclusiones

• Algoritmo eficiente para la generación de terrenos de manera procedural. ¿Cierto?• He precalculado la densidad en la CPU porque he trabajado con

un volumen estático. La densidad no cambia por tanto no es necesario calcularla en cada frame.

• La idea del algoritmo es tener buffers que calculen los volúmenes cuando entren en el frustum desechando los ya no se necesiten. De esta manera el cálculo se reparte. • Se marcan los volúmenes vacíos para no volver a calcularlos• Mediante Compute Shaders y SSBO.

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Conclusiones

• Desventajas:• Utiliza mucha memoria en la GPU.• El algoritmo de los Marching Cubes puede generar agujeros.• Utiliza mucha memoria en la GPU.

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Referencias

• Nguyen, H. (2007). Gpu gems 3. Addison-Wesley Professional.• Chapter 1. Generating Complex Procedural Terrains Using the

GPU, Ryan Geiss.

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