TUDresden Lehrstuhl fr Computergrafik und Visualisierung GPUbasierte Simulation

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

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: Wis. Vis, 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) Entmischung § Merkmale: Form, Farbe, Masse, chemischer Aufbau Halde mit Gefälle § Reibung zwischen Partikeln Aufschüttung bildet stabile Halde (Anstieg θ) § Wird Reibung überwunden, beginnt Boden zu fließen Festkörper & Flüssigkeit § Übergang zwischen „fest“ und „flüssig“ Bruchebene Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008 Bruchebene

Grundlagen der Bodenmechanik II § Boden durch physikalisches Modell abbilden Höhensäulen [Li 1993] Diskrete-Elemente [Cu 1979] § Höhensäulen: Bodenvolumen diskret als „Säulen“ auf 2 D-Raster abbilden § Berechnungen auf Basis der Höhendifferenz von Säulen § Diskrete-Elemente: Sandkörner als sphärische Partikel abbilden § Berechnung auf geometrischer Basis bzw. Wechselwirkungen zwischen Partikeln Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008 Höhensäulen Sphärisches Partikelverbund

Allgemeine GPU-Berechnungen Stark vereinfachte Shader-Modell 4. 0 Architektur (Direct. X 10) § 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 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008 Partikel

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

(A) GPU-Voxelgitter § Besteht aus homogenen Volumenelementen § Partikel je Zeitschritt neu einsortiert § Voxelgitter besteht aus 3 D-Textur und 1 D-Textur § Primäreinsortierung in 3 D-Textur, sekundär in 1 D-Textur als Liste 1 4 Voxel 4, 3, 1 Voxel 3 3 0 1 2 3 5 6 7 4 … Partikel 3 bereits einsortiert 4 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008 4 1 …

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

(C) GPU-Partikelsystem I § Simulation basiert auf Newton‘scher Mechanik § Simulationszeitschritt 100 ms § Partikelzustand in 2 x 2 D-Texturen gespeichert Berechnungen durch gerastertes Vollbildrechteck Je Texel ein Partikel! 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-Kollision § Voxelgitter für Partikel-Kollision nutzen 27 Nachbarvoxel betrachten § Zustandstextur der Partikel aktualisieren 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 [Triquet 2001] 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 Alpha. Blending 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 Vertex. Buffer Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

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

Zusammenfassung § Verfahren komplett mit GPU berechnet (Direct. X 10) § 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 3 D-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 Diplomverteidigung - Maik Lathan - TU-Dresden - 2008

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