使用基于GPU的Geometry Clipmaps進(jìn)行地形渲染
Terrain Rendering Using
GPU-Based Geometry Clipmaps
?
?
?
Arul Asirvatham
Microsoft Research
Hugues Hoppe
Microsoft Research
1?
Geometry Clipmap
簡介
本文系手工翻譯，因?yàn)樽罱容^忙，所以分成5篇來完成。翻譯的目的是為了促進(jìn)算法的學(xué)習(xí)和改進(jìn)，具體C++實(shí)現(xiàn)會(huì)集成到AthenaMTRE中，故不會(huì)放出源代碼。由于圖片暫時(shí)沒有找到合適的國內(nèi)空間，如需要請查看原文內(nèi)圖片http://research.microsoft.com/~hoppe/#geomclipmap，或http://liruzhan.blogspot.com/。有些地方翻譯得有些難懂，如覺得不明白，請留言或查看原文對比。Shader翻譯成著色器；Texture材質(zhì)；Buffer緩存；grid指在地形技術(shù)中的正方形的網(wǎng)格，在這里和多邊形網(wǎng)格mesh不同義；Terrain地形；Landscape地貌；Clipmap暫時(shí)不翻譯，沒想好；finer level更加精細(xì)的層次；coarser level更加粗糙的層次。如有問題請留言。
?????? 2004
年，
Losasso
和
Hoppe
介紹了一種全新的用于地形渲染的
LOD
結(jié)構(gòu)：
Geometry clipmap
。這種方法將地形的幾何形狀緩存在一組嵌套規(guī)則柵格
(nested regular grids)
里，這個(gè)嵌套柵格伴隨著視點(diǎn)的移動(dòng)而被增量地推移。這種柵格結(jié)構(gòu)提供了比以往的非規(guī)則網(wǎng)格
(Irregular Mesh)
技術(shù)更多的好處：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的簡化，邊界的視覺平滑，平穩(wěn)的渲染速率，優(yōu)美的分解，高效的壓縮，以及實(shí)時(shí)的細(xì)節(jié)融合。在這一章，我們將描述一種基于
GPU
使用頂點(diǎn)材質(zhì)
(Vertex Texture)
來實(shí)現(xiàn)的
Geometry Clipmap
算法。在將地形的幾何形狀作為一組圖象集合來處理的時(shí)候，我們能夠在
GPU
上實(shí)現(xiàn)幾乎所有的計(jì)算，以此來降低
CPU
負(fù)載。這種技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)，并且能夠以大約
90
幀
/
秒的渲染速率，
355
兆的內(nèi)存空間，交互式地飛過一個(gè)由
200
億采樣網(wǎng)格組成的美國地形模型。
1.1?
回顧
Geometry Clipmap
在大型室外場景中，地形外貌的幾何形狀會(huì)要求巨大的存儲(chǔ)空間和渲染帶寬。很多
LOD
技術(shù)被開發(fā)出來，使地形網(wǎng)格的三角化過程像一個(gè)視見函數(shù)一樣被適應(yīng)。然而大多數(shù)這種技術(shù)需要實(shí)時(shí)地建立和修改網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（頂點(diǎn)和索引緩存），這在當(dāng)前的顯示架構(gòu)中會(huì)導(dǎo)致昂貴的開銷。而且不規(guī)則網(wǎng)格的使用通常需要
CPU
處理，在許多程序例如游戲中
CPU
資源已經(jīng)是非常有限的了。
Geometry clipmap
框架（
Losasso
和
Hoppe
，
2004
）把地形作為一張
2
維高度圖來對待，
把它預(yù)先分解為一個(gè)多分辨率的
L
層金字塔（見圖
1
－
1
）。對于復(fù)雜的地形而言，一個(gè)完整的金字塔相對于內(nèi)存而言太大了。
Geometry clipmap
結(jié)構(gòu)在每一層里緩存了一個(gè)由
n
×
n
幾何采樣點(diǎn)構(gòu)成的
正方形窗口，很像
1998
年
Tanner
的
texture clipmaps
。這些窗口與一系列中心位于視點(diǎn)的嵌套規(guī)則柵格相關(guān)聯(lián)（見圖
1
－
2
）。需要注意的是，更加精確的層次窗口（
finer-level windows
）的空間范圍比更加粗糙的層次窗口（
coarse-level windows
）小。這樣做的目的是為了在屏幕空間中保證一致的三角形大小。在一個(gè)
n = 255
的
Clipmap
中，位于分辨率
1024
×
768
窗口中的每個(gè)三角形大約
5
個(gè)象素寬。
?
只有最精細(xì)的層次被渲染為一個(gè)完整地柵格方塊。在所有其他層次中，我們只渲染一個(gè)空心的環(huán)，環(huán)的中心區(qū)域被忽略，因?yàn)樗呀?jīng)在更精細(xì)的層次中被渲染出來了。當(dāng)視點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，Clipmap窗口被移動(dòng)并更新數(shù)據(jù)。為了允許高效的增量更新，Clipmap窗口在每一個(gè)層次中與環(huán)面相關(guān)聯(lián)，這意味著2維環(huán)繞尋址（見1.4節(jié)）
?
對于clipmap結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)之一是，如何消除連續(xù)層次之間的邊界，這意味著同時(shí)維持網(wǎng)格的連續(xù)性和緊密性，以及防止暫時(shí)性的跳躍現(xiàn)象（popping）。Geometry clipmap的嵌套柵格結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)簡單的解決方案，在每一層次的外層邊界處設(shè)置一個(gè)過渡區(qū)域，在這個(gè)過渡區(qū)域里幾何形狀和材質(zhì)被平滑地變形插值到下一個(gè)粗糙層次（見圖1－3）。這些過渡過程可以使用頂點(diǎn)和像素著色器（vertex and pixel shaders）來實(shí)現(xiàn)。
?
Geometry clipmap
的嵌套柵格結(jié)構(gòu)也能夠?qū)崿F(xiàn)高效的壓縮和合成。它允許對通過對上一個(gè)粗糙層次的數(shù)據(jù)的采樣來預(yù)測當(dāng)前一層的高度數(shù)據(jù)。因此只需要存儲(chǔ)或合成附加到這個(gè)預(yù)測信號(hào)的剩余細(xì)節(jié)（或差值）。
?
1.2???
GPU
實(shí)現(xiàn)的簡介
在2004年Losasso和Hoppe的展示的Geometry Clipmap的原始算法中，每一個(gè)細(xì)節(jié)層次使用傳統(tǒng)的頂點(diǎn)緩存（vertex buffer）來實(shí)現(xiàn)。鑒于當(dāng)時(shí)的GPU缺少修改頂點(diǎn)緩存的能力，那個(gè)原始算法需要CPU干涉clipmap的更新和渲染（見表1－1）。
?
在這一章里，我們介紹一種通過頂點(diǎn)材質(zhì)（vertex texture）來實(shí)現(xiàn)geometry clipmaps的方法。這種方法的優(yōu)勢在于，相對于將每一個(gè)clipmap窗口的2維柵格數(shù)據(jù)手動(dòng)地線性化到一個(gè)1維頂點(diǎn)緩存里，這些2維柵格數(shù)據(jù)可以更自然地存儲(chǔ)在一個(gè)2維材質(zhì)中。
需要重新指出，clipmap有L個(gè)層次，每個(gè)層次包含了一個(gè)
n
×
n
幾何采樣點(diǎn)的柵格。我們的目標(biāo)是將采樣點(diǎn)的（
x
，
y
，
z
）幾何坐標(biāo)分割成兩部分：
?
l???????
（x，y）坐標(biāo)被當(dāng)作常量的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
l???????
z
坐標(biāo)被存儲(chǔ)在一個(gè)單通道2維材質(zhì)中
à
高度圖。我們?yōu)槊恳粋€(gè)clipmap層次定義一個(gè)單獨(dú)的
n
×
n
高度圖材質(zhì)。伴隨著視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，這些材質(zhì)在
clipmap
層次被移動(dòng)的時(shí)候被更新。
?
因?yàn)?/span>
clipmap
層次是統(tǒng)一的
2
維柵格，它們的（
x
，
y
）坐標(biāo)是規(guī)則的，并且相對于位移和縮放而言是常數(shù)。因此我們定義了一組只讀的頂點(diǎn)和索引緩存用來
描述2維“足跡”（footprints），并且重復(fù)地在層次內(nèi)和層次之間實(shí)例化這些足跡，這個(gè)過程將在1.3.2中介紹。
?
頂點(diǎn)通過從頂點(diǎn)材質(zhì)里采樣來獲得z坐標(biāo)。在頂點(diǎn)著色器里訪問一個(gè)材質(zhì)是DirectX 9 Shader Model 3.0的一個(gè)新特性，并且被例如NVIDIA的Geforce 6系列的GPU支持。
?
將高度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一組圖象中，可實(shí)現(xiàn)直接通過GPU的光柵流水線來操作。 對于合成地形的情況，所有實(shí)時(shí)計(jì)算（高度圖取樣，地形細(xì)節(jié)合成，向量圖計(jì)算以及渲染）全部在顯卡上被執(zhí)行，從而保持CPU空閑。對于壓縮地形而言，CPU遞增地解壓縮和上傳數(shù)據(jù)到顯卡（見1.4節(jié)）。
1.2.1??
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
總的來說，主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在接下來介紹。我們預(yù)定義一小組常量頂點(diǎn)和索引緩存，用來對
clipmap
柵格的（
x
，
y
）幾何坐標(biāo)進(jìn)行編碼。并且對于每一個(gè)從
0
到
L-1
的層次，我們分配一張高度圖（一個(gè)單通道浮點(diǎn)
2
維材質(zhì)）和一張法向量圖（一個(gè)
4
通道
8
位
2
維材質(zhì)）。所有這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都存儲(chǔ)在顯卡內(nèi)存里。
1.2.2??
Clipmap
尺寸
因?yàn)槊恳粚哟蔚耐膺吔绫仨毼挥谙乱粋€(gè)粗糙層次的柵格上（見圖
1
－
4
），柵格尺寸
n
必須是奇數(shù)。硬件可以根據(jù)材質(zhì)尺寸進(jìn)行
2
次冪優(yōu)化，因此我們選擇
n
=
2
k
?
1
來保證材質(zhì)中的
1
行和
1
列不被使用。大多數(shù)例子中我們使用
n
=
255
。
?
選擇
n
=
2
k
?
1
作為柵格尺寸有一個(gè)額外的好處：一個(gè)精細(xì)的層次永遠(yuǎn)不會(huì)正好位于與它關(guān)聯(lián)的下一個(gè)粗糙層次的中心。換句話說，依賴于視點(diǎn)的位置，它們之間總是存在一個(gè)柵格單位的偏移（上下左右，見圖
1
－
4
）。事實(shí)上，當(dāng)一個(gè)精細(xì)層次的關(guān)聯(lián)的下一個(gè)粗糙層次保持固定的時(shí)候，應(yīng)該允許這個(gè)精細(xì)層次被移動(dòng)，因此它有時(shí)候必須偏離與它關(guān)聯(lián)的下一個(gè)粗糙層次的中心。柵格尺寸的另外一個(gè)選擇是
n
= 2k
?
3
，這將提供精確置中的可能性，但是這仍然要求處理偏離中心的情況，而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)起來比前一種情況更加復(fù)雜。