Tessellation und Displacement: Detailreiche Oberflächen ohne Risse aufbauen

Unterteilung von der Oberflächendefinition trennen

Tessellation erzeugt zusätzliche Stützpunkte eines Patches; sie erfindet nicht automatisch nützliche Details. Ein Surface-Evaluator legt fest, wo diese Stützpunkte liegen, und Displacement kann sie anhand einer Höhenfunktion verschieben. Die entstehenden Dreiecke können die sichtbare Silhouette verändern. Zuerst sind eine klare Oberflächendefinition und ein Höhenmassstab festzulegen, bevor die Unterteilung erhöht wird, um Artefakte zu überdecken.

Die Tessellation-Übersicht von Direct3D trennt die Patch-Steuerung, die Domain-Unterteilung mit fester Funktion und die Auswertung der erzeugten Vertexpositionen. Andere APIs verwenden andere Namen für die Stufen; daher sind vor dem Portieren von Shader-Code die jeweiligen Zuständigkeiten einander zuzuordnen. [1]

Benachbarte Patches zur Übereinstimmung bringen

Risse entstehen, wenn benachbarte Patches unterschiedlich bestimmen, wo ihre gemeinsame Grenze verläuft. Gemeinsame Kanten benötigen kompatible Unterteilungsfaktoren und Abstände sowie einen Evaluator, der übereinstimmende Positionen liefert. Die Invarianzregeln von Vulkan beschreiben, bei welchen Kanten-Stützpunkten unter passenden Bedingungen garantiert Übereinstimmung besteht. Sie sorgen jedoch nicht dafür, dass inkonsistente Displacement-Funktionen übereinstimmen. [2]

Für den Faktor einer gemeinsamen Kante sind dieselben Eingaben zu verwenden. Ein Faktor, der für jeden Patch unabhängig aus dessen Mittelpunkt berechnet wird, kann an dieser Kante unterschiedlich ausfallen. Auch Höhenwerte an der Grenze, Texturkoordinaten und Displacement-Richtungen sind zu prüfen: Gleiche Stützpunktzahlen können eine Höhenunstetigkeit nicht beheben.

Rechenbeispiel: ein definiertes Gitter auszählen

Betrachtet wird ein beispielhaftes Quadrat, das in ein regelmässiges Gitter mit 4 Segmenten pro Seite unterteilt ist. Es enthält 16 kleine Quads, bzw. 32 Dreiecke, wenn jedes Quad einmal geteilt wird. Bei 8 Segmenten pro Seite ergeben sich 64 Quads und 128 Dreiecke.

Die Dreieckszahl stieg um den Faktor 4, als die lineare Unterteilung verdoppelt wurde. Das ist Arithmetik für das genannte Gitter, keine Aussage über jedes Tessellationsmuster der Hardware. Sie zeigt aber, warum eine optisch kleine Änderung des Faktors viel mehr Geometrie erzeugen kann. Erzeugen beide Seiten einer Naht zwar übereinstimmende Stützpunkte, wertet die eine Seite an der Grenze aber eine Höhe von 0,02 Metern aus und die andere 0 Meter, bleibt dennoch eine Lücke.

Eine Naht prüfen, bevor die ganze Landschaft entsteht

Einen Test mit zwei benachbarten Patches und einem Höhenmerkmal aufbauen, das ihre Grenze kreuzt. Wireframe, Silhouette und Shading sind zu begutachten, während die Kamera bewegt wird. Die Unterteilung wird schrittweise verändert und dabei geprüft, ob die Naht geschlossen bleibt. Danach folgen Tests von Textur-Nähten und nicht uniformer Objektskalierung.

Im Surface-Evaluator ist die Stufe der Texturabtastung bewusst zu wählen, und die Höhendefinition muss an gemeinsamen Kanten konsistent bleiben. Die Grenzvolumen des verschobenen Objekts sind zu aktualisieren, und die Normalen müssen die verschobene Oberfläche für die vorgesehene Beleuchtung ausreichend gut beschreiben. Dasselbe Displacement ist in jedem Durchgang zu testen, der übereinstimmende Geometrie benötigt.

Erzeugten Aufwand gezielt begrenzen

Mehr Dreiecke garantieren nicht mehr sichtbare Details. Winzige Primitive, aufwendige Displacement-Auswertungen und instabile Übergänge können das Ergebnis dominieren. Die Geometrieerzeugung und das nachgelagerte Shading sind gemeinsam zu messen. Die Unterteilung ist auf die unterstützten Grenzwerte zu begrenzen, und für nicht unterstützte Geräte ist ein geeigneter Ausweichpfad vorzusehen. Gerendertes Displacement aktualisiert zudem nicht automatisch die Kollisionsgeometrie; für Spielinteraktion ist eine separat definierte Repräsentation nötig.

Quellen

• [1] Tessellation Stages — Microsoft, Direct3D documentation.
• [2] Tessellation Invariance — Khronos Group, Vulkan specification.