Struktury sceny, transformacje i instancing

Mamy już kompletny silnik światła. Zostało pytanie równie praktyczne: jak w ogóle zorganizować milion obiektów, kamerę i światła w jedną strukturę, którą ten silnik przetestuje.

TL;DR

Scena to drzewo transformacji — każdy obiekt ma swoją pozycję względem rodzica, nie względem świata.
Instancing pozwala tysiącom kopii tego samego obiektu (drzewa w lesie, śruby w silniku) dzielić jedną siatkę i jedno BVH z Rozdziału 13 — różni je tylko macierz transformacji.
Sztuczka wydajnościowa: transformujesz promień do lokalnej przestrzeni obiektu, nie geometrię do świata — test przecięcia zostaje dokładnie ten z Rozdziału 4.

Pass: Hierarchia

Scena jako drzewo transformacji

Koło samochodu nie ma sensownej „pozycji w świecie” zapisanej na trwałe — ma pozycję względem nadwozia, nadwozie względem węzła całego samochodu, a ten dopiero względem świata. Gdy samochód rusza, każde koło porusza się automatycznie, bo dziedziczy transformację rodzica, a ten swojego. To jest dosłownie ten sam mechanizm co parent/child w outlinerze Mayi albo Blendera.

M_world = M_parent · M_localmacierze transformacji składają się przez mnożenie, od korzenia drzewa aż do konkretnego obiektu

↓ Dodatek F — co dokładnie jest w środku macierzy M

Scene.graphparent → child

Każde T to transformacja względna do rodzica. Koło nie wie, gdzie jest w świecie — zna tylko swoją pozycję względem nadwozia, nadwozie względem samochodu, a samochód względem świata. Poruszenie SAMOCHODU przesuwa cały łańcuch pod spodem.

Pass: Instancing

Jedna siatka, tysiące kopii

Las z dziesięciu tysięcy drzew nie potrzebuje dziesięciu tysięcy kopii geometrii i BVH w pamięci. Instancing przechowuje jedną „master” siatkę z jednym BVH, a każde wystąpienie w scenie to tylko odniesienie do niej plus własna macierz transformacji (pozycja, rotacja, skala).

↓ Dodatek I — dwa różne budżety kosztu geometrii

Instancing1 mesh, N transforms

Cztery instancje, jedna siatka w pamięci — każda różni się tylko macierzą transformacji.

Żeby to zadziałało bez kopiowania geometrii, promień testowany przeciw instancji jest transformowany odwrotną macierzą instancji do jej lokalnej przestrzeni — i tam trafia w dokładnie tę samą siatkę i BVH, co każda inna instancja.

ray_local = M⁻¹ · ray_world
hit_world = M · hit_localM — macierz transformacji instancji (z wyżej); promień idzie do przestrzeni lokalnej jej odwrotnością, a wynik trafienia wraca do świata tą samą macierzą wprost

Transform.the.raynot the geometry

Ten sam promień, ta sama siatka — tylko obrócona i przesunięta w jedną albo drugą stronę macierzą M.

Z praktyki

Instancje w Blenderze, Houdinim (copy-to-points) czy Unrealu (Instanced Static Mesh) to dosłownie ten mechanizm — dlatego rozsypanie dziesięciu tysięcy kopii tego samego kamienia kosztuje ułamek pamięci dziesięciu tysięcy unikalnych siatek.

W pipeline'ach opartych o USD — Solaris i Karma w Houdinim, Arnold czy RenderMan wpięte przez Hydrę — ten mechanizm ma dwie osobne nazwy, które warto rozróżniać. Native instancing to dokładnie powyższe: wiele prymitywów wskazujących na tę samą geometrię. PointInstancer idzie dalej i trzyma tysiące transformacji jako tablice punktów, bez tworzenia osobnego węzła na każdą kopię — dzięki temu las z miliona drzew nie rozdyma samego pliku sceny, nie tylko pamięci renderera.

Import z OBJ, FBX, glTF czy USD sprowadza się do wypełnienia dokładnie tych struktur: pozycje wierzchołków (Rozdział 2), normalne (Rozdział 4), UV (Rozdział 9) i hierarchia transformacji z tego rozdziału. Żaden z tych formatów nie wymaga nowej matematyki — tylko innego układu bajtów na dysku.

Słowniczek

Scene graph: Hierarchiczna struktura transformacji obiektów w scenie.
Transformacja lokalna / world: Pozycja względem rodzica kontra pozycja finalna w świecie.
Instancing: Wiele wystąpień jednej siatki, różniących się macierzą transformacji.
Object space: Lokalny układ współrzędnych siatki, niezależny od jej umiejscowienia w scenie.

Co dalej

Scenę mamy już zorganizowaną. W następnym rozdziale wracamy do samego światła — ale tym razem przechodzącego przez materię: mgła, dym i rozpraszanie podpowierzchniowe, czyli wolumetria.

Idź głębiej

Dodatek F — Macierze i współrzędne jednorodne Dodatek I — Złożoność geometrii a obciążenie Dodatek AH — Displacement i subdivision w czasie renderu

← Poprzedni Spis treści Następny →