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実践QBVH
- 1. 実践！ QBVH 2013/8/24 レイトレ合宿 林 秀一 (http://d.hatena.ne.jp/shuichi_h)
- 3. アジェンダ 1. 空間構造とは 2. なぜ必要？ 3. さまざまな空間構造 4. 人気の空間構造 5. 空間構造の対価 6. よい空間構造とは 7. AABB 8. BVH 1. 構造 2. 構築 3. AABBとRayの交差判定 4. トラバースの流れ 9. QBVH 1. 特長 2. 構造 3. データ構造 4. 構築 5. 交差判定 6. トラバース早期打ち切り 10. 参考文献
- 9. さまざまな空間構造 Uniform Grid Octree kd-tree BVH 等々...
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- 19. AABBとRayの交差判定 txmin = (xmin - xe) / xd レイdをtxmin倍すると xminと交わる txmin倍 txmin e d xmin Ray xd xmin - xd
- 20. AABBとRayの交差判定 tymin tymax txmin txmax t [tymin, tymax] t [txmin, txmax] t [txmin, txmax] [tymin, tymax] 縦横で交わるtの範囲を求めて tymax>txminか判定する ※縦横両方tというパラメータ空間の値なので比較できる tymaxtxmin
- 21. AABBとRayの交差判定 レイの方向や、ゼロ除算によって出てくる+ , - ,を 考慮しても、最終的にシンプルなロジックになる。 詳細はRealistic Ray Tracing等を参照。
- 22. AABBとRayの交差判定 bool BBox::RayIntersect(const Ray &r, float tmin, float tmax) { // X軸 int sign = r.sign[0]; float t0 = (bb[sign].x - r.o.x) / r.dir.x; float t1 = (bb[1-sign].x - r.o.x) / r.dir.x; if (t0 > tmin) tmin = t0; if (t1 < tmax) tmax = t1; if (tmin > tmax) return false; // Y軸 ... // Z軸 ... return true; } ※もちろん割り算は予め1.f / r.dirを計算してRayに保存しておき、それとの掛け算にした方がいい
- 23. AABBとRayの交差判定 bool BBox::RayIntersect(const Ray &r, float tmin, float tmax) { // X軸 int sign = r.sign[0]; float t0 = (bb[sign].x - r.o.x) / r.dir.x; float t1 = (bb[1-sign].x - r.o.x) / r.dir.x; if (t0 > tmin) tmin = t0; if (t1 < tmax) tmax = t1; if (tmin > tmax) return false; // Y軸 sign = r.sign[1]; t0 = (bb[sign].y - r.o.y) / r.dir.x; t1 = (bb[1-sign].y - r.o.y) / r.dir.y; if (t0 > tmin) tmin = t0; if (t1 < tmax) tmax = t1; if (tmin > tmax) return false; // Z軸 sign = r.sign[2]; t0 = (bb[sign].z - r.o.z) / r.dir.z; t1 = (bb[1-sign].z - r.o.z) / r.dir.z; if (t0 > tmin) tmin = t0; if (t1 < tmax) tmax = t1; if (tmin > tmax) return false; return true; } ※もちろん割り算は予め1.f / r.dirを計算してRayに保存しておき、それとの掛け算にした方がいい
- 25. QBVH: 特長 •SIMD命令を効果的に使用 •Binary BVH比 1.6∼2.0倍 高速 •kd-tree比 1.3∼1.6倍 高速 •メモリは10%∼50%削減 •インコヒーレントなレイに対しても有効 （※以上は、下記論文での主張です。） H. Dammertz and J. Hanika1 and A. Keller: Shallow Bounding Volume Hierarchies for Fast SIMD Ray Tracing of Incoherent Rays. http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/iui.inst.100/institut/Papers/QBVH.pdf
- 29. QBVH: データ構造 child0 child1 child2 child3 __m128 __m128 __m128 __m128 __m128 __m128 min x min x min x min x min y min y min y min y min z min z min z min z max x max x max x max x max y max y max y max y max z max z max z max z child0 idx child1 idx child2 idx child3 idx axis top axis left axis right fill 1ノードあたり sizeof(float) ＊ 8 ＊ 4 = 128
- 30. QBVH: データ構造 child0 child1 child2 child3 __m128 __m128 __m128 __m128 __m128 __m128 min x min x min x min x min y min y min y min y min z min z min z min z max x max x max x max x max y max y max y max y max z max z max z max z child0 idx child1 idx child2 idx child3 idx axis top axis left axis right fill min/max xyz …子ノードのAABB child idx …子ノードのインデックス axis …分割軸 0:x 1:y 2:z
- 31. QBVH: データ構造 child0 child1 child2 child3 __m128 __m128 __m128 __m128 __m128 __m128 min x min x min x min x min y min y min y min y min z min z min z min z max x max x max x max x max y max y max y max y max z max z max z max z child0 idx child1 idx child2 idx child3 idx axis top axis left axis right fill SIMD処理できるように SoA(Structure of Array)レイアウト
- 32. QBVH: データ構造 axis left axis right axis top
- 33. QBVH: 子ノードのindex 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 child idx: 32bit 空ならINT_MIN
- 34. QBVH: 子ノードのindex 枝or葉(1bit) 枝or葉のindex(31bit) △ △ △ △ △ △ NULL △ △ △ △ △ NULL 先頭のインデックスを指す 葉のデータの配列: child idx: やり方 その1
- 35. QBVH: 子ノードのindex 枝or葉(1bit) 枝or葉のindex(31bit) △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ 先頭のインデックスを指す 葉のデータの配列: child idx: やり方 その2 子の数(4bit)
- 36. QBVH: 子ノードのindex 枝or葉(1bit) 枝or葉のindex(31bit) △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ △ 葉のデータの配列: child idx: やり方 その3 葉の数 葉のindex その他情報 葉の数 葉のindex その他情報 葉の数 葉のindex その他情報
- 39. inline int SIMD_QBVH::IntersectSIMD( const __m128 bboxes[2][3], // min-max[2] of xyz[3] of boxes[4] const __m128 orig[3], // ray origin, xyz[3] const __m128 idir[3], // ray inverse direction, xyz[3] const int sign[3], // ray xyz direction -> +:0,-:1 __m128 tmin, __m128 tmax // ray range tmin-tmax ) const { // x coordinate tmin = _mm_max_ps( tmin, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(bboxes[sign[0]][0], orig[0]), idir[0]) ); tmax = _mm_min_ps( tmax, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(bboxes[1 - sign[0]][0], orig[0]), idir[0]) ); // y coordinate tmin = _mm_max_ps( tmin, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(bboxes[sign[1]][1], orig[1]), idir[1]) ); tmax = _mm_min_ps( tmax, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(bboxes[1 - sign[1]][1], orig[1]), idir[1]) ); // z coordinate tmin = _mm_max_ps( tmin, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(bboxes[sign[2]][2], orig[2]), idir[2]) ); tmax = _mm_min_ps( tmax, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(bboxes[1 - sign[2]][2], orig[2]), idir[2]) ); return _mm_movemask_ps(_mm_cmpge_ps(tmax, tmin));//tmin<tmaxとなれば交差 }
- 41. 参考文献 H. Dammertz and J. Hanika1 and A. Keller: Shallow Bounding Volume Hierarchies for Fast SIMD Ray Tracing of Incoherent Rays. http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/iui.inst.100/institut/Papers/QBVH.pdf QBVHの論文です。 ototoi: QBVHを実装した - 明日ではないから http://d.hatena.ne.jp/ototoi/20090925/p1 QBVHについての解説、他の空間構造とのパフォーマンス比較結果、ソースコードがあります。 Shirley P.: Realistic Ray Tracing, Second Edition. AK Peters, Ltd., 2000. http://www.amazon.com/dp/1568814615 BVHのソースコード、AABB-Ray交差判定の詳しい説明が載っています。 Kayvon F.: CMU 15-869, Graphics and Imaging Architectures. http://www.cs.cmu.edu/afs/cs.cmu.edu/academic/class/15869-f11/www/ Carnegie Mellon Universityのグラフィックスコースの資料。 Real-time ray tracingというリンクのPDFにレイパケットの説明があります。
- 42. ありがとうございました