Terrain Rendering

1. Terrain Rendering USF 2001 Dirk Ringe (Phenomic Game Development) Stefan Röttger (Universität Stuttgart)

2. Agenda • Problematik • Tesselierung • Texturierung • Beleuchtung • Fazit

3. Problematik 1 • Unsinnig große Datenmengen • 1000x1000 Höhenpunkte sind 2.000.000 Dreiecke • Und das ist eine „kleine“ Welt • Wie bekomme ich einen hohen Detailgrad bei großen Welten? • Wie halte ich solche Datenmengen im Speicher • Woher bekomme ich solche Datenmengen (Content Creation Probleme) • Überhänge, Höhlen, etc.

4. Problematik 2 • Wie rendert man eine Landschaft • Reduzieren der Dreieckszahlen durch • Culling • LOD • Soll die Landschaftsform zur Laufzeit geändert werden (GeoMod)?

7. Problematik 3 • Wie texturiert man sowas? • Im Nahbereich ist ein Pixel fast 1cm klein • Das gibt bei einer Welt von 1km etwa 100.000 Texel im Quadrat

8. Kriterien • Größe der Welt • Minimale und maximale Betrachtungsentfernung/ -winkel • Geometrie Laufzeit veränderbar • Qualität der Texturierung • Statische Beleuchtung <-> Tag-Nacht-Zyklen • Dynamische Lichtquellen • CPU oder GPU lastig

9. Übersicht der Verfahren

10. Tesselierung 1 (Brute Force) • Einfach alles an die Hardware übergeben • Gecullt werden ganze Tiles • Bei T&L Karten können locker 20000 bis 100000 Dreiecke fürs Terrain benutzt werden • NVidia schwört draufJ • Vorteil: Wenig CPU Last • Nachteil: Begrenzte Sichtweite

11. Tesselierung 2 (TIN) • TIN = Triangle Irregular Network • Das Terrain wird vom Level Designer direkt als Mesh editiert oder durch ein Tool aus der Heightmap erzeugt • Der Mesh wird fürs Culling in mehrere Teilmeshes zerlegt • Die Meshes werden direkt gerendert • Vorteile: Beliebige Geländeform und Texturierung • Nachteile: Keine GeoMods

12. Tesselierung 3 (Geo Mipmapping) • SLOD (Static Level of Detail) Verfahren, daß an Texture Mipmapping angelehnt ist • In einem Vertex Buffer werden alle Vertices gespeichert • Es gibt mehrere Index Buffer, die je nach Entfernung ausgewählt werden • Die Übergänge zwischen Tiles sind auf maximalen Level (oder anders strikt definiert) • Vorsicht: In dieser Variation für Software T&L ungeeignet!

13. Tesselierung 4 (CLOD) • CLOD = Continuous Level of Detail • Abhängig von Entfernung oder Screenspaceerror werden mehrere Dreiecke zu einem Zusammengefaßt • Vorteil: Unbegrenzte Sichtweite, GeoMods • Nachteil: Hohe CPU Last, je nach Verfahren aufwendig • Zu beachten: Ein Großteil der Performance hängt an cachefreundlichen Datenstrukturen!

14. Tesselierung 5 (CLOD Quadtree) • Die Landschaft wird rekursiv in Quadrate unterteilt. • In ersten Pass wird bestimmt, wie groß der Screenspaceerror pro Quadrat ist, und dementsprechend weiter aufgeteilt werden muß. • Im zweiten Pass wird anhand dieser Tesselierungsflags der Mesh erzeugt und dabei auf die Tesselierung angrenzender Quadrate geachtet.

15. Tesselierung 6 (CLOD ROAM 1) • Hier wird die Landschaft rekursiv in Dreiecke unterteilt. • Beim Unterteilen werden jeweils beide Dreiecke, die an der Hypothenuse sitzen geteilt. Dadurch werden Cracks durch unterschiedliche Unterteilung vermieden. • Falls ein Dreieck zu weit unterteilt wird, werden die Nachbarn rekursiv zur Unterteilung gezwungen

16. Tesselierung 7 (CLOD ROAM 2) • Split Only ROAM tesseliert die Landschaft jeden Frame neu. Relativ einfach zu implementieren. • Split and Merge ROAM: Es wird eine Framekohärenz ausgenutzt, da die Kamera sich ja nur stückweise bewegt. • Dazu werden für Dreiecke deren Splitfaktoren in Prioritylisten namens SplitQueue und MergeQueue gesammelt und jeden Frame entsprechend aktualisiert. • Sehr aufwendig zu implementieren, kann schneller als SplitOnly sein

17. Tesselierung 8 (VIPM) • VIPM = view independant progressive mesh • Die Landschaft wird in Tiles unterteilt • Jedes dieser Teils wird mit VIPM gerendert. • Die Übergänge der Tiles sind immer vollständig dargestellt, dadurch werden Cracks vermieden. • Vorteil: Minimale CPU Last, hohe Dreieckszahlen möglich. • Nachteil: Keine GeoMods, ScreenSpace Error ist bei gleichen Dreieckszahlen einiges höher als bei CLOD Verfahren (da view independent).

18. Sonstige Verfahren • Displacement Maps • Bald in Hardware verfügbar • Zusammen mit NPatches wird alles in Hardware gemacht • View Independant • Slicing • Ähnlich dem Fur Rendering werden Scheiben durch die Landschaft gezogen und durch die Höhe bestimmt, wo die Scheibe transparent ist oder nicht • Nachteil: Gigantische Fillrate, gut für Radarmaps etc.

19. Beispiele • Nach besten Wissen und Gewissen! • Black & White: Geo mipmapping • AquaNox: CLOD mit Quadtrees nach Roettger • PlanetSide: TINs, die offline mit view independent QuadTrees nach TopoVista erzeugt wurden • Yager: Brute Force • Unreal Warfare: Brute Force

20. Texturierung 1 (Welttextur) • Eine große Textur wird über das gesamte Terrain aufgespannt • Vorteil: äußerst einfach • Nachteile • Geringe Auflösung der Textur führt zu schwammigen Terrain • Steile Bereiche sind verzerrt

21. Texturierung 2 (Detailtextur) • Der Welttextur wird einfach eine Detailtextur mitgegeben, die sich recht häufig wiederholt. • Dadurch ist die Landschaft auch in der Nähe scharf • Vorteil: einfach • Nachteil: keine wirklich Unterscheidung zwischen Terrainbereichen (Fels braucht anderes Detail als Gras)

22. Texturierung 3 (Tiling) • Jeder Terraintyp existiert als Textur • Für jeden Terraintyp wird die entsprechende Geometrie erzeugt • Bei den Übergängen können die Tiles mit dem Alphakanal ineinander gemischt werden • Es dürfen keine Dreiecke zusammengefaßt werden! • Vorteil: Hohe Texturauflösung • Nachteil: Funktioniert nicht mit hohen Sichtweiten

23. Texturierung 4 (Splatting) • Keine Welttextur, mehrere hochaufgelöste Texturen, eine pro Terraintyp (Gras, Fels,...) • Pro Terraintyp gibt eine Alphamap die Bedeutung des Typs an dieser Stelle wieder • Die Landschaft wird pro Terraintyp einmal gerendert • Vorteil: Hohe Auflösung bis zum Horizont • Nachteil: Viel Speicherverbrauch durch die Alphamaps, hohe Polygonzahlen durch viele Passes, hohe Fillrateanforderungen

24. Texturierung 5 (Unique Texturing) • Die Landschaft wird rekursiv in Quadrate unterteilt (Quadtree) • Jeder Quadtreeknoten repräsentiert eine Textur fester Größe • Die Ebene im Baum bestimmt, wieviel Bereich diese Textur abdeckt • Die Texturing werden dynamisch von der CPU erzeugt (unter Zuhilfenahme von Perlin Noise etc.) • Moderne GPUs können diese Aufgabe auch

25. Beispiele • AquaNox, Unreal Warfare: Terrain splatting • Soul Ride: Unique Texturing • Black & White: World map + Detail map • Warcraft 3: Tiling

26. Beleuchtung 1 • Vertex Lighting: an jedem Vertex wird klassisch beleuchtet • Nachteil: sobald LOD ins Spiel kommt, sieht es schlecht aus • Nachteil: CLOD oder VIPM machen es noch schlimmer, da die Normalen springen • Lightmap: Extratextur • Übliche Technik

27. Beleuchtung 2 • Korrekte Beleuchtung ist wichtig • Es gibt drei „Lichtquellen“: Sonne/Mond, Himmel und Reflexionen durch den Boden • Himmel ist kein ambientes Licht, sondern eine sphärische Lichtquelle (ungleichmäßig) • Der Anteil Himmel, den ein Punkt sieht bestimmt die Helligkeit dieser sphärischen Lichtquelle

28. Beleuchtung 3 • Dynamische Lichtquellen müssen in die Lightmap reingerechnet werden

29. Fazit • Es gibt keine eierlegende Wollmilchsau im Terrainrendering • Die Anforderungen vom Spiel und die Möglichkeiten der Zielhardware bestimmen die möglichen Verfahren • Auch wenn eine gewisse „Stabilität“ bei den Algorithmen erreicht wurde, wird immer noch aktiv in diesem Bereich geforscht. Das Ende des möglichen wurde noch nicht erreicht.

30. Literatur/Links • Ich wollte hier einen Haufen Links posten, aber seltsamerweise stehen die alle schon auf dieser Seite: • http://vterrain.org • Ebenfalls äußerst interessant ist das Archiv der Mailingliste GameDev-Algos: • https://lists.sourceforge.net/lists/listinfo/gdalgorithms-list

31. Fragen? • Fragen? • Fragen? • Fragen? • Fragen? • Fragen?