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TU-Dresden Lehrstuhl für Computergrafik und Visualisierung GPU-basierte Simulation dynamischer Terrains Diplomverteidigung Maik Lathan 2008.

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Präsentation zum Thema: "TU-Dresden Lehrstuhl für Computergrafik und Visualisierung GPU-basierte Simulation dynamischer Terrains Diplomverteidigung Maik Lathan 2008."—  Präsentation transkript:

1 TU-Dresden Lehrstuhl für Computergrafik und Visualisierung GPU-basierte Simulation dynamischer Terrains Diplomverteidigung Maik Lathan 2008

2 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden Dynamische Terrains in der Computergrafik GPU-basierte Simulation dynamischer Terrains Die Anwendung – Sandbox.exeMögliche Erweiterungen von Sandbox

3 Simulation natürlicher Phänomene in der Computergrafik realistische virtuelle Umgebungen Dynamische Terrains sind Grundlage verschiedener Anwendungen: WisVis, Filmindustrie, Spielindustrie, Militär Bodenmechanik als Grundlage für Terrainverhalten Umfangreiche physikalische Phänomene Berechnungen erfordern hohe Rechenleistung bisher effiziente Darstellung statischer Terrains Leistung von Graphics Processing Unit (GPU) verwenden Bodenmechanik in Echtzeit simulieren und darstellen

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5 Boden besteht aus granularen Partikeln Beispiel: Kies, Schotter, (Zucker) Merkmale: Form, Farbe, Masse, chemischer Aufbau Reibung zwischen Partikeln Aufschüttung bildet stabile Halde (Anstieg θ ) Wird Reibung überwunden, beginnt Boden zu fließen Festkörper & Flüssigkeit Übergang zwischen fest und flüssig Bruchebene Halde mit Gefälle Bruchebene Entmischung

6 Boden durch physikalisches Modell abbilden Höhensäulen [Li1993] Diskrete-Elemente [Cu1979] Höhensäulen: Bodenvolumen diskret als Säulen auf 2D-Raster abbilden Berechnungen auf Basis der Höhendifferenz von Säulen Diskrete-Elemente: Sandkörner als sphärische Partikel abbilden Berechnung auf geometrischer Basis bzw. Wechselwirkungen zwischen Partikeln Höhensäulen Sphärisches Partikel Partikelverbund

7 Darstellungsfähigkeiten für allgemeine Berechnungen verwenden Algorithmen auf paralleler GPU-Architektur implementieren Vereinfachte CPU-GPU-Analogien: Funktionsaufruf Darstellung Innere Funktion Pixel-Shader Array Textur Stark vereinfachte Shader-Modell 4.0 Architektur (DirectX10)

8 Sphärische Diskrete-Elemente bilden Erdboden Zustand: Ort x, Impuls p, Masse m, Radius r Wechselwirkung bei Kollision: Partikel j Partikel i Kollisionskraft, Dämpfungskraft: F C +F D Partikel

9 Diskrete-Elemente bilden Partikelsystem in Simulationsraum SR simuliert Inter-Partikelkollision beschleunigen Partikel in Voxelgitter einsortieren Objekt-Partikelkollision beschleunigen Voxelgitter nutzen Terrainoberfläche aus Partikel generieren optimierter Marching-Cubes-Algorithmus Verfahren ist Kaskade von GPU-Shadern

10 Shader-Verbund der Simulation

11 Besteht aus homogenen Volumenelementen Partikel je Zeitschritt neu einsortiert Voxelgitter besteht aus 3D-Textur und 1D-Textur Primäreinsortierung in 3D-Textur, sekundär in 1D-Textur als Liste Voxel 34 … Partikel 3 bereits einsortiert 41 … Voxel 4, 3, 1

12 Dreiecksbasierte Objekte kollidieren mit Partikeln Terrain direkt manipulierbar Suchraum für Kollision effizient einschränken Kollisionserkennung und -reaktion in 2 Phasen 1. Grobe Suche, 2. exakte Kollision Grobe Suche: Voxelgitter ausnutzen Achsenorientierte Begrenzungsbox definiert Voxelvolumen Exakte Kollision: Partikel in Objektvoxeln berücksichtigen Hierarchischer Schnitttest Kugel-Dreieck

13 Simulationsraum SR Grobe Suche AOBB an Voxelgitter anpassen Voxel bestimmen Exakte Kollision (Partikel 8) Punkt-In-Dreieck? Kugel-Berührt-Kante? Kugel-Berührt-Ecke? Wirkende Kraft ermitteln (Modell) Kraft in Textur speichern F 9 1 8

14 Simulation basiert auf Newtonscher Mechanik Simulationszeitschritt 100ms Partikelzustand in 2x 2D-Texturen gespeichert Berechnungen durch gerastertes Vollbildrechteck Je Texel ein Partikel!

15 Kräfte akkumulieren F Ges und System integrieren Gravitation (konstant je Partikel) Partikel-Simulationsraum-Kollision Partikel-Objekt-Kollision Partikel-Partikel-Kollision Voxelgitter für Partikel-Partikel-Kollision nutzen 27 Nachbarvoxel betrachten Zustandstextur der Partikel aktualisieren

16 Partikelsystem in Terrainoberfläche umwandeln Phase 1: Skalarfeld berechnen Phase 2: Marching-Cubes generiert Oberfläche Marching-Cubes verwendet Voxelgitter als Grundlage Geometry-Shader generiert Oberflächendreiecke

17 Modell der Oberflächenrekonstruktion [Triquet2001]

18 Phase 1 – Skalarfeld Feldfunktion je Gitterpunkt je Partikel auswerten Schichten ermitteln, die Partikel überdeckt Je Schicht ein Rechteck im Voxelgitter darstellen Feldwerte summieren AlphaBlending

19 Phase 2: Marching-Cubes Dreiecksnetz Platten durchwandern, jedes Voxel Angrenzende Schichten auswerten 8 Ecken Dreiecke erzeugen VertexBuffer

20 DEMODEMO

21 Verfahren komplett mit GPU berechnet (DirectX10) Partikelsystem, Kollisionsreaktion und Oberflächenkonstruktion dynamische Terrainsimulation Verfahren basiert auf physikalisch plausibler DEM-Methode Erosion, Einschläge, Lawinen Objekte können mit Terrain interagieren Materialtransport Volumetrischer Erdboden Höhlen, Durchdringungen Echtzeitfähig mit Partikeln

22 Beschränkung des Simulationsraums aufheben 3D-Hash anstatt Voxelgitter nutzen Partikelanzahl reduzieren (viele nicht sichtbar) Partikelanzahl- und Größe an Erfordernis anpassen Physikalische Simulation auf Aktionsvolumen einschränken wodurch definieren sich die Volumen? Terrain auf hoch paralleler Architektur berechnen ( IBM Cell, NV TESLA ) einzelne Bereiche mit SPU/GPU berechnen/simulieren

23 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden


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