vr のための cg 技術

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1999 年 11月 10日

VRのための CG技術

柿本　正憲[email protected]

日本 SGI株式会社システムインテグレーション本部･

東日本第一プロフェッショナルサービス部

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1999 年 11月 10日　

内容

はじめにVR表示システムの例高速描画のための要素技術リアルタイム処理のための技術表示システムのチューニングまとめQ&A

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はじめに

VRシステムの要件リアルタイム表示（理想は 60フレーム毎秒）

本物らしさ没入感（大画面）形状やテクスチャのリアリティ

相反する要求を満たす手段３D モデルデータの工夫アルゴリズムの工夫ハードウェア

表示速度

満足できる結果

60Hz

表示の質

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VR表示システムの例

最近の傾向HMD（ヘッド・マウンテッド・ディスプレイ）よりも、大画面型

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VR表示システムの例アーチ型

没入感があり、ビジュアル・シミュレーションに適している

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VR表示システムの例フラット型（ PowerWall）

DR (Design Review)に適している

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VR表示システムの例どうくつ型（ CAVE）

各種インテリア評価に適している

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VR表示システムの例デスク型（ Imersive Workbench,

Imersadesk）医療、建築、土木分野の可視化に適している

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高速化の要点

どんな場合にも通用する万能ルールはないボトルネックを抽出し、適切な高速化手法を適用することが重要

ボトルネックの抽出

ボトルネックの解決

新たなボトルネックの顕在化

ボトルネック要因

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前提知識

シーングラフ3D モデルのデータ構造

通常は実行時のメモリ上のデータを意味する

階層化された部品

ルート

グループ

座標変換スイッチ

光源

座標変換

部品部品部品

部品部品部品部品部品

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前提知識

グラフィックスパイプライン3D モデルの表示処理フロー

モデル処理(カリング等）

表示データの転送

座標変換明るさ計算塗りつぶし D/A変換

GGeneration

TTraverse

XTransform

SScan

Conversion

DDisplay

(xw, yw, zw)(xs, ys)シーングラフ

ビデオ信号

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前提知識グラフィックスAPIローレベル

OpenGL, Direct３D

シーングラフAPIIRIS Performer, Open Inventor, Cosmo3D, Java3D

特定用途向けIRIS Performer (Vissim)OpenGL Optimizer (CAD)

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);glColor3f(0.8,0.5,0.0);glBegin(GL_TRIANGLES); glVertex2f(1.0,1.0,3.0); glVertex2f(-1.0,-1.0,3.0); glVertex2f(-1.0,1.0,3.0);glEnd();

pfScene *root = new pfScene;pfGroup *group = new pfGroup;pfGeode *gd = new pfGeode;pfGeoSet *gset = new pfGeoSet;pfGeoState *st = new pfGeoState;

root->addChild(gp);group->addChild(gd)gd->addGSet(gs);gset->setGState(st);

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高速描画のための要素技術

ビューフラスタム・カリング視野に入っていない部品を除いてから表示する

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オクルージョン・カリング手前の部品に隠されることが確実な部品を除いて表示する

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LOD 　 ( レベル・オブ・ディテール )遠くにあるときは粗く、近くでは細かく表示する

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LOD　バイアス動かすときは粗く、止めた状態では細かく表示する粗くなっても、動かしていると意外に気にならない

CADソフトウェアで有効

視点が常に動くVRやビジュアル・シミュレーションでは使えない

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高速描画のための要素技術動かす部品だけを表示動かない部品は画像として描く

奥行き情報（zバッファ）も画像と一緒に保存ウィンドウが大きくなると、画像転送が逆にボトルネックにOnyx2ならフルスクリーンでもOKCADソフトウェアで有効視点が動くVRやビジュアルシミュレーションでは使えない･

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空間分割近い部品同士を同じグループにする

BAD GOOD

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バックフェース・カリング裏向きの三角形は塗りつぶさない

閉じた図形（裏面は絶対に見えない）のみを扱う場合に有効

三角形の表

三角形の表

三角形の裏

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テクスチャ・マッピング一枚のポリゴンに絵や写真を貼る

ポリゴン一枚で何千ポリゴンにも相当するリアリティ最近のハードの高速化

→用途によってはテクスチャを使わずくっきりとした絵を表示する　選択も

ポリゴンのみで表現テクスチャを使った表現

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OpenGLレベルでの最適化三角形ストリップ

頂点の共有化ディスプレイリスト

データのキャッシング（CPU、グラフィックスボード）

頂点配列メモリアクセスの効率化

マテリアル（色やテクスチャ）の共有化マテリアルの切替えを最小化

独立三角形：頂点数 3n三角形ストリップ：頂点数 n+2

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高速描画のためのハード技術

DVR（Dynamic　Video　Resizing）D/A変換のハードウェアで画像を拡大

小さく描いて最後に拡大（フィルタリングつき）ビデオレート内で処理を終えれば速度には全く影響無し

塗りつぶしの時間を節約フレームごとに負荷を評価しながら拡大率を調整

見る人は以外と気づかないSGIのOnyx, Onyx2のみの機能

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マルチパイプ処理大画面スクリーンを分割して並列処理

SGIのOnyx2

G T X S DX S D

X S DCPU処理

グラフィックスハードの処理

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マルチ CPUでの並列処理

G X S DX S D

X S DCPU処理グラフィックスハードの処理

TT

T

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マルチプロセス処理

APP

CULLDRAW

ISECTDBASE

COLLIDE

SIM

GenerationG T

TraverseX

TransformSScan

Conversion

DDisplay

（ x,y,z) （ x,y)

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1999 年 11月 10日　


マルチ CPUでの並行処理

A0

C0

D0

APPCULL

DRAW

A1

C1

D1

表示

A2

C2

D2

A0

C0

D0

APPCULL

DRAW

A1

C1

D1

表示

A2

C2

D2

A3

C3

D3

A4

C4

D4

A5

C5

D5

APP,CULL,DRAWを別々の CPUで並行処理した場合

APP,CULL,DRAWを一つの CPUで処理した場合

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DPLEX (Digital Multiplexer)フレーム毎に出力パイプを切替える

G X S DX S D

X S DCPU処理グラフィックスハードの処理

TT

T

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1999 年 11月 10日　

高速描画のためのハード技術DPLEX (Digital Multiplexer)

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1999 年 11月 10日　

フレームレートの管理

フレームレートの変化は1/60秒→2/60秒→3/60秒→4/60秒ちょっと頑張ればフレームレートがぐんと上がる

フレーム毎に負荷を計測し、LODやDVRの強さを調整

リアルタイム処理のための技術

16msec

表示

AppCullDraw0AppCullDraw1AppCullDraw2

計算表示

AppCullDraw0 AppCullDraw1

計算60Hz

17msec

30Hz

1/60 秒

1/30 秒ビデオ同期信号

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リアルタイム処理のための技術レイテンシの最小化

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1999 年 11月 10日　

表示システムのチューニングボトルネックの抽出ボトルネックがわかれば半分解決したも同然ボトルネック以外の部分を高速化しても無意味

GenerationG T

TraverseX

TransformSScan

Conversion

DDisplay

（ x,y,z) （ x,y)

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1999 年 11月 10日　

表示システムのチューニングG（シミュレーション）がボトルネックになる場合抽出法：Tに渡す計算結果をファイルに保存し再現

これで速くなればGがボトルネック計算のプロセスを分け、マルチCPU化

CULLの時間が長い場合（通常はDRAWより短い）：グループ化が細かすぎる可能性があるグループ化がより大まかになるようやり直す

GenerationG T

TraverseX

TransformSScan

Conversion

DDisplay

（ x,y,z) （ x,y)

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1999 年 11月 10日　

表示システムのチューニングT（OpenGLのコマンド転送）がボトルネックになる場合ポリゴン数が多く、CPUからグラフィックスへの転送が遅い場合

例えばリモートのマシンでOpenGLの表示を行った場合抽出法：OpenGLのディスプレイリストを使ってみるglVertex3fをglColor3f(ダミー)に変えてみる

転送はそのままでXの処理が無くなる

これで変わらなければ原因はXでなくT

GenerationG T

TraverseX

TransformSScan

Conversion

DDisplay

（ x,y,z) （ x,y)

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1999 年 11月 10日　

表示システムのチューニングX（座標変換・光源計算）がボトルネックになる場合最もよく起こりうる抽出法：光源を無くしてみるこれで速くなればXがボトルネック

対策polygon/secの速いボードを買うテクスチャの使用（1000ポリゴンの樹木のモデルより1ポリゴンに写真）光源の代わりに環境マッピングLODでもっとポリゴンの少ないレベルを使用する奥行き複雑度が非常に多ければオクルージョン・カリング

GenerationG T

TraverseX

TransformSScan

Conversion

DDisplay

（ x,y,z) （ x,y)

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1999 年 11月 10日　

奥行き複雑度（Depth　Complexity）塗りつぶしの処理時間に影響する

非常に大きい場合はオクルージョン・カリングが有効

小～中：フライト・シミュレーション

中：メカニカルCAD・建築

大：大規模プラント・大規模建築

表示システムのチューニング

1

5

3

2

1

7 4

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1999 年 11月 10日　

表示システムのチューニングS（塗りつぶし）がボトルネックになる場合抽出法：ウィンドウを小さくしてみる（簡単！）

これで速くなればSがボトルネック対策

バックフェース・カリングDVR（Onyx2のみ）オクルージョン・カリング

GenerationG T

TraverseX

TransformSScan

Conversion

DDisplay

（ x,y,z) （ x,y)

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1999 年 11月 10日　

まとめチューニングはケース・バイ・ケース

モデルの規模・特徴使用するハード・ソフト要求される性能・画質

ボトルネックの抽出が重要チューニングで数倍～

数千倍速くなる

ハイエンド・ユーザの要求

ハードの性能

ローエンド・ユーザの要求

時間

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