Уровень детализации (компьютерная графика) LOD

Привет, Вы узнаете о том , что такое уровень детализации, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое уровень детализации, lod , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Компьютерная графика.

В компьютерной графике уровень детализации ( LOD ) относится к сложности представления 3D-модели . LOD может быть уменьшен по мере удаления модели от зрителя или в соответствии с другими метриками, такими как важность объекта, скорость относительно точки обзора или положение. Методы LOD повышают эффективность рендеринга за счет снижения рабочей нагрузки на этапах графического конвейера , обычно преобразования вершин . Снижение визуального качества модели часто остается незамеченным из-за небольшого влияния на внешний вид объекта при удалении или быстром движении.

Хотя большую часть времени LOD применяется только к деталям геометрии , базовую концепцию можно обобщить. Недавно методы LOD также включали управление шейдерами для сохранения контроля за сложностью пикселей. Форма управления уровнем детализации применялась к текстурным картам в течение многих лет под названием mip-отображение , также обеспечивая более высокое качество рендеринга.

Обычно говорят, что «объект был LOD-улучшен », когда объект упрощен базовым алгоритмом LOD-улучшения , а также 3D-модельером, вручную создающим LOD-модели

Происхождение всех алгоритмов LOD для трехмерной компьютерной графики можно проследить до статьи Джеймса Х. Кларка в выпуске Communications of the ACM за октябрь 1976 года . В то время компьютеры были монолитными и редкими, а графика управлялась исследователями. Само аппаратное обеспечение было совершенно другим, как с точки зрения архитектуры, так и производительности. Таким образом, можно было наблюдать много различий в отношении сегодняшних алгоритмов, но также и много общих моментов.

Первоначальный алгоритм представлял собой гораздо более общий подход к тому, что будет обсуждаться здесь. После введения некоторых доступных алгоритмов для управления геометрией, утверждается, что наиболее плодотворные результаты были получены от "...структурирования визуализируемых сред" , что позволило использовать более быстрые преобразования и операции отсечения .

Теперь предлагается та же самая структуризация среды как способ управления изменяющейся детализацией, что позволяет избежать ненужных вычислений, но при этом обеспечивает адекватное визуальное качество:

Например, додекаэдр выглядит как сфера с достаточно большого расстояния и, таким образом, может использоваться для его моделирования, пока он рассматривается с этого или большего расстояния. Однако, если его когда-либо придется рассматривать более внимательно, он будет выглядеть как додекаэдр. Одним из решений этой проблемы является простое определение его с максимально возможной степенью детализации, которая когда-либо будет необходима. Однако тогда он может иметь гораздо больше деталей, чем требуется для представления его на больших расстояниях, и в сложной среде со множеством таких объектов будет слишком много полигонов (или других геометрических примитивов) для эффективной обработки алгоритмами видимой поверхности .

Предложенный алгоритм предусматривает древовидную структуру данных , которая кодирует в своих дугах как преобразования, так и переходы к более подробным объектам. Таким образом, каждый узел кодирует объект, и в соответствии с быстрой эвристикой , дерево спускается к листьям, которые предоставляют каждому объекту больше деталей. Когда достигается лист, могут использоваться другие методы, когда требуется более высокая детализация, например, рекурсивное подразделение Кэтмелла .

Однако важным моментом является то, что в сложной среде объем информации, представленной о различных объектах окружающей среды, варьируется в зависимости от доли поля зрения, занимаемой этими объектами.

Затем в статье рассматривается отсечение (не путать с отбраковкой, хотя они часто схожи), различные соображения относительно графического рабочего набора и его влияния на производительность, взаимодействия между предлагаемым алгоритмом и другими для повышения скорости рендеринга.

Хотя представленный выше алгоритм охватывает целый ряд методов управления уровнем детализации, в реальных приложениях обычно используются специализированные методы, адаптированные к отображаемой информации. В зависимости от требований ситуации используются два основных метода:

Первый метод, Discrete Levels of Detail (DLOD) , подразумевает создание нескольких дискретных версий исходной геометрии с пониженными уровнями геометрической детализации. Во время выполнения модели с полной детализацией заменяются моделями с пониженной детализацией по мере необходимости. Из-за дискретной природы уровней может наблюдаться визуальное выскакивание при замене одной модели на другую. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Это можно смягчить с помощью альфа-смешивания или морфинга между состояниями во время перехода.

Второй метод, Continuous Levels of Detail (CLOD) , использует структуру, которая содержит непрерывно изменяющийся спектр геометрических деталей. Затем структуру можно зондировать, чтобы плавно выбрать подходящий уровень детализации, требуемый для ситуации. Значительным преимуществом этого метода является возможность локального изменения детализации; например, сторона большого объекта, ближняя к виду, может быть представлена ​​с высокой степенью детализации, одновременно уменьшая детализацию на его дальней стороне.

В обоих случаях LOD выбираются на основе некоторой эвристики, которая используется для оценки того, сколько деталей теряется при снижении детализации, например, путем оценки геометрической ошибки LOD относительно модели с полной детализацией. Затем объекты отображаются с минимальным количеством деталей, требуемым для удовлетворения эвристики, которая разработана для минимизации геометрической детализации настолько, насколько это возможно, чтобы максимизировать производительность, сохраняя при этом приемлемый уровень визуального качества.

Пример различных диапазонов DLOD. Более темные области должны быть визуализированы с более высокой детализацией. Запускается дополнительная операция отбраковки, отбрасывающая всю информацию за пределами пирамиды (цветные области).

Основная концепция дискретного LOD (DLOD) заключается в предоставлении различных моделей для представления одного и того же объекта. Получение этих моделей требует внешнего алгоритма, который часто нетривиален и является предметом многих методов редукции полигонов . Последовательные алгоритмы LOD будут просто предполагать, что эти модели доступны.

Алгоритмы DLOD часто используются в приложениях с высокой производительностью и небольшими наборами данных, которые легко помещаются в памяти. Хотя можно использовать алгоритмы , не требующие ядра , детализация информации не очень подходит для такого рода приложений. Такой алгоритм обычно проще в работе, так как он обеспечивает как более высокую производительность, так и более низкую загрузку ЦП из-за небольшого количества задействованных операций.

Методы DLOD часто используются для «автономных» движущихся объектов, возможно, включая сложные методы анимации. Другой подход используется для geomipmapping , популярного алгоритма рендеринга рельефа , поскольку он применяется к сеткам рельефа, которые как графически, так и топологически отличаются от сеток «объектов». Вместо вычисления ошибки и упрощения сетки в соответствии с этим, geomipmapping использует фиксированный метод редукции, оценивает внесенную ошибку и вычисляет расстояние, на котором ошибка приемлема. Несмотря на простоту, алгоритм обеспечивает достойную производительность.

Визуальные сравнения и измерения воздействия

Изображение
Вершины	~5500	~2880	~1580	~670	140
Примечания	Максимальная детализация, для крупных планов				Минимальная детализация, очень далекие объекты

Для моделирования реалистичного сценария с привязкой к преобразованию можно использовать специально написанное приложение. Использование простых алгоритмов и минимальных фрагментных операций гарантирует, что ограничение ЦП не возникнет. В каждом кадре программа вычисляет расстояние каждой сферы и выбирает модель из пула в соответствии с этой информацией. Чтобы легко продемонстрировать концепцию, расстояние, на котором используется каждая модель, жестко закодировано в исходном коде. Более сложный метод вычислил бы адекватные модели в соответствии с выбранным расстоянием использования.

OpenGL используется для рендеринга из-за его высокой эффективности в управлении небольшими партиями, сохраняя каждую модель в списке отображения, таким образом избегая накладных расходов на связь. Дополнительная нагрузка вершин обеспечивается применением двух направленных источников света, идеально расположенных на бесконечном расстоянии.

В следующей таблице сравнивается производительность рендеринга с учетом LOD и метода полной детализации ( грубой силы ).

Визуальные сравнения и измерения воздействия

	Грубый	ДЛОД	Сравнение
Визуализированные изображения
Время рендеринга	27,27 мс	1,29 мс	21 × уменьшение
Вершины сцены	2,328,480	109,440	21 × уменьшение

Поскольку оборудование рассчитано на большое количество деталей, рендеринг объектов с низким количеством полигонов может давать неоптимальные результаты. HLOD избегает этой проблемы, группируя различные объекты вместе . Это позволяет повысить эффективность, а также воспользоваться соображениями близости.

В рамках AIA LOD [ 4 ] разбит на пять основных уровней, по одному для каждой основной фазы жизненного цикла здания. Эти уровни определяют прогрессию детализации и точности данных в модели BIM:

LOD 100 (концептуальный проект): Эта модель является базовой с точки зрения геометрических форм и заполнителей. Грубые исследования макета и масс используются для оценки осуществимости проекта. Как инструмент для первоначального обсуждения дизайна, LOD 100 полезен для предоставления вам общего представления о проекте, не заставляя вас прибивать каждую деталь. Этот этап позволяет заинтересованным сторонам оценить участок на высоком уровне и установить цели проекта.

LOD 200 (Схематическое проектирование): Модель становится более конкретной с приблизительными размерами, пространственными отношениями и общими местоположениями. С достаточной точностью элементы моделируются для ранних проектных решений, оценок затрат и предварительного анализа. Хотя LOD 200 остается общим, он гораздо яснее показывает, как будет выглядеть здание и как оно будет функционировать, позволяя заинтересованным сторонам вносить вклад в уточнение концепций и переход к детальному проектированию.

LOD 300 (детальное проектирование): LOD 300 знаменует собой большой шаг вперед в точности. Точные размеры, материалы и пространственные соотношения предназначены для компонентов. Этот этап дает достаточно подробностей для получения разрешений на строительство, подготовки подробных чертежей и управления по всем дисциплинам. Это соглашение гарантирует построение модели, чтобы подрядчики могли оценить стоимость проекта и подготовиться к строительству.

LOD 400 (Изготовление и строительство): Модель улучшена деталями изготовления и сборки на этом уровне. Она состоит из производственных спецификаций, а также инструкций по установке. LOD 400 поддерживает фактическое строительство, так что все в здании может быть построено. Этот этап имеет решающее значение для точного распределения ресурсов подрядчиков и выполнения на месте.

LOD 500 (модель As-Built): Завершенный проект — это LOD 500. Он состоит из проверенных размеров, материалов и спецификаций фактически построенной конструкции. Он бесценен для управления объектом, поскольку дает точные данные для обслуживания и ремонта, а также для будущих обновлений. Модель As-Built предоставляет возможность эффективно управлять жизненным циклом здания.

LOD особенно полезен в 3D-видеоиграх. Разработчики видеоигр хотят предоставить игрокам большие миры, но всегда ограничены аппаратным обеспечением, частотой кадров и природой графики видеоигр в реальном времени . С появлением 3D-игр в 1990-х годах многие видеоигры просто не визуализировали отдаленные структуры или объекты. Будут визуализироваться только близлежащие объекты, а более отдаленные части постепенно исчезнут, по сути, реализуя туман на расстоянии . Видеоигры, использующие рендеринг LOD, избегают этого эффекта тумана и могут визуализировать более крупные области. Некоторые известные ранние примеры рендеринга LOD в 3D-видеоиграх включают The Killing Cloud , Spyro the Dragon , Crash Bandicoot: Warped , Unreal Tournament и движок Serious Sam . Большинство современных 3D-игр используют комбинацию методов рендеринга LOD, используя различные модели для крупных структур и отбраковку на расстоянии для деталей окружения, таких как трава и деревья. Эффект иногда все еще заметен, например, когда персонаж игрока летит над виртуальной местностью или использует снайперский прицел для обзора на большом расстоянии. В частности, трава и листва будут казаться выскакивающими при приближении, что также известно как отбраковка листвы. [ 5 ] LOD также можно использовать для рендеринга фрактальной местности в реальном времени. [ 6 ] Система Nanite в Unreal Engine 5 по сути реализует уровень детализации в сетках, а не только в объектах в целом.

LOD встречается в ГИС и 3D-моделях городов как схожая концепция. Она указывает, насколько тщательно были отображены реальные объекты и насколько модель соответствует своему реальному аналогу. Помимо геометрической сложности, в LOD модели могут учитываться и другие метрики, такие как пространственно-семантическая согласованность, разрешение текстуры и атрибуты. Стандартный CityGML содержит одну из самых известных категоризаций LOD.

Аналог «LOD-ing» в ГИС называется генерализацией .

• MeshLab — инструмент с открытым исходным кодом для обработки сеток, способный точно упрощать трехмерные полигональные сетки.
• Polygon Cruncher — коммерческое программное обеспечение от Mootools, которое уменьшает количество полигонов объектов, не меняя их внешний вид.
• Simplygon — коммерческий пакет обработки сеток, позволяющий преобразовывать общие входные сетки в сетки, визуализируемые в реальном времени .

• Анизотропная фильтрация
• Туман вдали
• Расстояние прорисовки
• Mip-карта
• Поппинг ( компьютерная графика )
• Прогрессивные сетки
• Разреженное воксельное октодерево
• Пространственное разрешение

Исследование, описанное в статье про уровень детализации, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое уровень детализации, lod и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Компьютерная графика