Implementação do algoritmo Marching

Cubes usando shadersLuiz Fernando Oliveira Corte Real

lreal@ime.usp.br

Marching Cubes

Textura 3D Isosuperfície

3 9 8 7 6 8 5 4 9 9 7 6 10 6 4 2

Marching Cubes

Textura 3D Isosuperfície

3 9 8 7 6 8 5 4 9 9 7 6 10 6 4 2

Marching CubesIsosuperfície: 6

Marching CubesIsosuperfície: 6

(marcação apenas ilustrativa e errada)

Marching CubesIsosuperfície: 6

(marcação apenas ilustrativa e errada)

Marching Cubes

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

OpenGL Pipeline

Pipeline fixo

OpenGL Pipeline

Pipeline fixo ● Padrão até OpenGL 2.1● Removido no 3.1

OpenGL Pipeline

Pipeline programável

OpenGL Pipeline

Vertex Shader:transformações vértice a vértice ● Posição● Normal● Cor

OpenGL Pipeline

Geometry Shader:transformações em primitivas ● Uma entrada● Várias saídas

OpenGL Pipeline

Fragment Shader:transformações fragmento a fragmento ● Iluminação● Texturização

OpenGL Pipeline

Paralelismo: de graça! ● Vértices

processados em paralelo

● OpenGL cuida dos problemas de concorrência

OpenGL Pipeline

Ideia:patches do algoritmo produzidos no Geometry Shader

Implementação

Paralelismo no processamento dos vértices

Implementação

Paralelismo no processamento dos vértices

Cubos do algoritmo independentes

Implementação

Paralelismo no processamento dos vértices

Cubos do algoritmo independentes

Um vértice para cada cubo!

Implementação

1º passo: um vértice para cada cubo

Implementação

0 1

0

10

1

Resolução:H x W x D

Implementação

0 1

0

10

1

dxdz

dy

Resolução:H x W x D

dx = 1 / Wdy = 1 / Hdz = 1 / D

Implementação

Vértices: (-1, -1, -1) -> (1, 1, 1)

Implementação

Vértices: (-1, -0.95, -0.8) -> (1, 0.95, 0.8)(supondo W > H > D)

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)

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);

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);

Implementação

1º passo: um vértice para cada cubo2º passo: tabela de patches no shader

Implementação

Tabela:● 1 linha = 1 possível configuração do cubo

Implementação

Tabela:● 1 linha = 1 possível configuração do cubo

○ 8 vértices = 28 possibilidades = 256 linhas

Implementação

Tabela:● 1 linha = 1 possível configuração do cubo

○ 8 vértices = 28 possibilidades = 256 linhas● Colunas = arestas do cubo c/ ponto do patch

○ Maior patch: 16 vértices => 16 colunas

Implementação

Tabela:● 1 linha = 1 possível configuração do cubo

○ 8 vértices = 28 possibilidades = 256 linhas● Colunas = arestas do cubo c/ ponto do patch

○ Maior patch: 16 vértices => 16 colunas

256 x 16 = 4096 inteiros

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

Implementaçãoint 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};

Implementação

Muitos dados para passar para shader Textura

ImplementaçãoglGenTextures(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);

ImplementaçãoglGenTextures(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);

Seminterpolação!

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 correspondente4. Calcular posição dos vértices nas arestas5. Gerar triângulos

Implementação

Vertex Shader: apenas passa os vértices (pontos) para o Geometry Shader Fragment Shader: colore e ilumina os triângulos rasterizados do Geometry Shader

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

Demonstração

Otimização

Toda a superfície é regerada a cada alteração na cena

OpenGL Pipeline

OpenGL Pipeline

Transform feedback

OpenGL Pipeline

Transform feedback ● Extensão OpenGL

até versão 2.1● Core a partir da 3.0

Otimização

Otimização

Demonstração

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!lreal@ime.usp.br