GPU-basierte Simulation dynamischer Terrains Diplomverteidigung Maik Lathan 2008 Herzlich Willkommen, mein Name ist Maik Lathan. Ich werde heute im Rahmen meiner Diplomverteidigung einen Vortrag über die GPU-basierte Simulation dynamischer Terrains halten.

Dynamische Terrains in der Computergrafik GPU-basierte Simulation dynamischer Terrains Die Anwendung – Sandbox.exe Mögliche Erweiterungen von „Sandbox“ Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Motivation 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 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Zielstellung 1 2 3 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Grundlagen der Bodenmechanik I 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 Entmischung Halde mit Gefälle Bruchebene Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Grundlagen der Bodenmechanik II Höhensäulen 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 Sphärisches Partikel Partikelverbund Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Allgemeine GPU-Berechnungen Stark vereinfachte Shader-Modell 4.0 Architektur (DirectX10) Darstellungsfähigkeiten für allgemeine Berechnungen verwenden Algorithmen auf paralleler GPU-Architektur implementieren Vereinfachte CPU-GPU-Analogien: Funktionsaufruf  Darstellung Innere Funktion  Pixel-Shader Array Textur Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Terrain-Modell Sphärische Diskrete-Elemente bilden Erdboden  Zustand: Ort x, Impuls p, Masse m, Radius r Wechselwirkung bei Kollision: Partikel j  Partikel i Kollisionskraft, Dämpfungskraft: FC+FD Partikel Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Verfahren I 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 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Verfahren II Shader-Verbund der Simulation Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Partikel 3 bereits einsortiert (A) GPU-Voxelgitter 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 3 4 … Partikel 3 bereits einsortiert 1 2 5 6 7 Voxel 4 1 3 Voxel 4, 3, 1 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(B) GPU-Kollision und Reaktion I 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 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(B) GPU-Kollision und Reaktion II Grobe Suche AOBB an Voxelgitter anpassen Voxel bestimmen Simulationsraum SR 1 9 Exakte Kollision (Partikel 8) Punkt-In-Dreieck? Kugel-Berührt-Kante? Kugel-Berührt-Ecke? F 8 4 7 Wirkende Kraft ermitteln (Modell) Kraft in Textur speichern 6 5 3 2 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(C) GPU-Partikelsystem I Simulation basiert auf Newton‘scher Mechanik Simulationszeitschritt 100ms Partikelzustand in 2x 2D-Texturen gespeichert  Berechnungen durch gerastertes Vollbildrechteck Je Texel ein Partikel! Partikel stapeln Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(C) GPU-Partikelsystem II Kräfte akkumulieren FGes 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 Partikel stapeln Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(D) GPU-Oberflächenrekonstruktion I Partikelsystem in Terrainoberfläche umwandeln Phase 1: Skalarfeld berechnen Phase 2: Marching-Cubes generiert Oberfläche Marching-Cubes verwendet Voxelgitter als Grundlage Geometry-Shader generiert Oberflächendreiecke Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(D) GPU-Oberflächenrekonstruktion II Modell der Oberflächenrekonstruktion [Triquet2001] Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(D) GPU-Oberflächenrekonstruktion III Phase 1 – Skalarfeld Feldfunktion je Gitterpunkt je Partikel auswerten Schichten ermitteln, die Partikel überdeckt Je Schicht ein Rechteck im Voxelgitter darstellen Feldwerte summieren  AlphaBlending Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

(D) GPU-Oberflächenrekonstruktion IV Phase 2: Marching-Cubes  Dreiecksnetz Platten durchwandern, jedes Voxel Angrenzende Schichten auswerten  8 Ecken Dreiecke erzeugen  VertexBuffer Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Ergebnisse DEMO Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Zusammenfassung 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 10.000 Partikeln Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Ausblick 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 SPE = Synergistic Processing Unit Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008