Implementação do algoritmo Marching Cubes usando shaders

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Implementação do algoritmo Marching Cubes usando shaders

Luiz Fernando Oliveira Corte Real [email protected]

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Marching Cubes

Textura 3D Isosuperfície

3 9 8 7

6 8 5 4

9 9 7 6

10 6 4 2

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Marching Cubes

Textura 3D Isosuperfície

3 9 8 7

6 8 5 4

9 9 7 6

10 6 4 2

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Marching Cubes

Isosuperfície:

6

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Marching Cubes

Isosuperfície:

6

(marcação apenas ilustrativa e errada)

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Marching Cubes

Isosuperfície:

6

(marcação apenas ilustrativa e errada)

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Marching Cubes

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a7/MarchingCubes.svg/1000px-MarchingCubes.svg.png

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OpenGL Pipeline

Pipeline fixo

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OpenGL Pipeline

Pipeline fixo

● Padrão até OpenGL 2.1

● Removido no 3.1

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OpenGL Pipeline

Pipeline programável

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OpenGL Pipeline

Vertex Shader:

transformações vértice a vértice

● Posição

● Normal

● Cor

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OpenGL Pipeline

Geometry Shader:

transformações em primitivas

● Uma entrada

● Várias saídas

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OpenGL Pipeline

Fragment Shader:

transformações

fragmento a fragmento

● Iluminação

● Texturização

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OpenGL Pipeline

Paralelismo: de graça!

● Vértices

processados em paralelo

● OpenGL cuida dos problemas de

concorrência

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OpenGL Pipeline

Ideia:

patches do algoritmo produzidos no

Geometry Shader

(16)

Implementação

Paralelismo no processamento dos vértices

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Implementação

Paralelismo no processamento dos vértices Cubos do algoritmo independentes

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Implementação

Paralelismo no processamento dos vértices Cubos do algoritmo independentes

Um vértice para cada cubo!

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Implementação

1º passo: um vértice para cada cubo

(20)

Implementação

0 1

0 0 1

1

Resolução:

H x W x D

(21)

Implementação

0 1

0 0 1

1

dx dz

dy

Resolução:

H x W x D dx = 1 / W dy = 1 / H dz = 1 / D

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Implementação

Vértices: (-1, -1, -1) -> (1, 1, 1)

(23)

Implementação

Vértices: (-1, -0.95, -0.8) -> (1, 0.95, 0.8)

(supondo W > H > D)

(24)

Implementação

Vértices: (-1, -0.95, -0.8) -> (1, 0.95, 0.8)

Voxel: (x, y, z)

Vértice: (-1, -0.95, -0.8) + 2 (dx.x, dy.y, dz.z)

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Implementação

Vértices: (-1, -0.95, -0.8) -> (1, 0.95, 0.8)

glBegin(GL_POINTS);

for (double x = -maxX; x <= maxX; x += 2 * dx) {

for (double y = -maxY; y <= maxY; y += 2 * dy) { for (double z = -maxZ; z <= maxZ; z += 2 * dz) {

glVertex3f(x, y, z);

} }

}

glEnd(GL_POINTS);

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Implementação

Vértices: (-1, -0.95, -0.8) -> (1, 0.95, 0.8)

glBegin(GL_POINTS);

for (double x = -maxX; x <= maxX; x += 2 * dx) {

for (double y = -maxY; y <= maxY; y += 2 * dy) { for (double z = -maxZ; z <= maxZ; z += 2 * dz) {

glVertex3f(x, y, z);

} }

}

glEnd(GL_POINTS);

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Implementação

1º passo: um vértice para cada cubo 2º passo: tabela de patches no shader

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Implementação

Tabela:

● 1 linha = 1 possível configuração do cubo

(29)

Implementação

Tabela:

○ 8 vértices = 2⁸ possibilidades = 256 linhas

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Implementação

Tabela:

● Colunas = arestas do cubo c/ ponto do patch

○ Maior patch: 16 vértices => 16 colunas

(31)

Implementação

Tabela:

● Colunas = arestas do cubo c/ ponto do patch

○ Maior patch: 16 vértices => 16 colunas

256 x 16 = 4096 inteiros

(32)

Implementação

1 linha:

● índices das arestas do cubo com vértices

● -1 = fim

3, 0, 9, 3, 9, 11, 11, 9, 10, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1

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Implementação

int RawTriangleTable[] = {

-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 0, 8, 3, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 0, 1, 9, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 8, 3, 9, 8, 1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,

1, 2, 10, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, ...

...

2, 3, 8, 2, 8, 10, 0, 1, 8, 1, 10, 8, -1, -1, -1, -1,

1, 10, 2, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 3, 8, 9, 1, 8, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1,

0, 9, 1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, 0, 3, 8, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1};

(34)

Implementação

Muitos dados para

passar para shader Textura

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Implementação

glGenTextures(1, &triangleTableTexture);

glActiveTexture(GL_TEXTURE1);

glEnable(GL_TEXTURE_2D);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, triangleTableTexture);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP_TO_EDGE);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_ALPHA16I_EXT, 16, 256, 0, GL_ALPHA_INTEGER_EXT, GL_INT, &RawTriangleTable);

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Implementação

glGenTextures(1, &triangleTableTexture);

glActiveTexture(GL_TEXTURE1);

glEnable(GL_TEXTURE_2D);

glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, triangleTableTexture);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);

glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_R, GL_CLAMP_TO_EDGE);

glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_ALPHA16I_EXT, 16, 256, 0, GL_ALPHA_INTEGER_EXT, GL_INT, &RawTriangleTable);

Sem

interpolação!

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Implementação

1. Calcular valor da textura nos vértices do cubo

2. Marcar quais são maiores e menores que o valor da superfície

3. Obter linha da tabela correspondente

4. Calcular posição dos vértices nas arestas 5. Gerar triângulos

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Implementação

Vertex Shader: apenas passa os vértices (pontos) para o Geometry Shader

Fragment Shader: colore e ilumina os

triângulos rasterizados do Geometry Shader

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Implementação

Vertex Shader: apenas passa os vértices (pontos) para o Geometry Shader

Fragment Shader: colore e ilumina os

triângulos rasterizados do Geometry Shader

Usa a textura para calcular as normais

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Demonstração

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Otimização

Toda a superfície é regerada a cada alteração na cena

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OpenGL Pipeline

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OpenGL Pipeline

Transform feedback

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OpenGL Pipeline

Transform feedback

● Extensão OpenGL até versão 2.1

● Core a partir da 3.0

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Otimização

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Otimização

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Demonstração

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Links

● Implementação original: http://www.icare3d.

org/blog_techno/gpu/opengl_geometry_shader_marching_cubes.html

● Transform feedback: http://www.opengl.

org/registry/specs/EXT/transform_feedback.txt

● Implementação no MedSquare: https://medsquare.svn.sourceforge.

net/svnroot/medsquare/branches/marching-

cubes/Rendering/vtkmsqOpenGLShadersImageMarchingCubesMapper.

cxx

Obrigado!

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