輪読発表資料: Efficient Virtual Shadow Maps for Many Lights

Efficient Virtual Shadow Maps for Many Lights

Ola Olsson*, Erik Sintorn*, Viktor Kämpe*, Markus Billeter*, Ulf Assarsson* Chalmers University of Technology

お餅 !

2014年10月作成 2015年4月加筆

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Abstract• I3D 2014 で発表された Shadow Map の論文

• 動画: https://www.youtube.com/watch?v=jjAE0h5VNT0

• 目的: 数百のライトによる影をリアルタイムで出す

• 特徴的な点

- Clustered Deferred Shading [Olsson+, 2012] を利用

- Virtual Cube Map を利用

-レイトレーシングを併用したハイブリッド方式

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https://www.youtube.com/watch?v=jjAE0h5VNT0

目次• Introduction and Previous Work

• Basic Algorithm

• Algorithm Extensions

• Implementation

• Results and Discussion

• Conclusion and Future Work

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Introduction• 目的: リアルタイムゲームで大量の光源を出し、それらの光源による影も計算したい

• Clustered Deferred Shading をベースとした手法を提案

• Contributions• Cube Map, Cluster を利用した shadow-caster の効率的なカリング

• 数百オーダーのライトがあるシーンのレンダリングを、影含めリアルタイム（～30, 40 ms/frame）で描画可能

• Virtual Shadow Map を利用した、メモリ効率が良くかつ品質を保った影のレンダリング

• レイトレーシングとのハイブリッド手法（LoD に用いられる）

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Previous Work• Many light shadows

• Imperfect Shadow Map [Ritschel+, 2008]

• Many-LODs [Hollander+, 2011]

• これらの手法は「大量の光源によって近似誤差を打ち消す」という考え方 => 正確じゃない

• Virtual Shadow Map

• Software based virtual shadow map [Fernando+, 2001; Lefohn+, 2007]

• => Software-based で Virtual Texture を実現。本手法は Hardware の機能を利用

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• Basic Algorithm


• Implementation



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Basic Algorithm - Flow1.Render scene to G-Buffers

2.Cluster assignment - calculating the cluster keys of each view sample

3.Find unique clusters - finding the compact list of unique cluster keys

4.Assign lights to clusters - creating a list of influencing lights for each cluster.

5.Select shadow map resolution for each light.

6.Allocate shadow maps.

7.Cull shadow casting geometry for each light.

8.Rasterize shadow maps.

9.Shade samples.

7









9.Shade samples.

Clustered Deferred Shading のプロセス

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Clustered Shading1.スクリーンスペースを 32x32 pixels のグリッドに分割2.Depth 方向を、区切り幅を指数的変化させながら分割（図の黄色い区切り）3.Visible なジオメトリが存在するクラスタを見つける（C0～C3)4.各光源（L0, L1) が交差しているクラスタを見つけ、ペアを作る（Cluster/Light

Pairs)• Cluster 内のジオメトリが shadow receiver になりうる

5.このペアのリストに基づいて Shading

9









9.Shade samples.

Shadow Map のプロセス

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Shadow Map Resolution Selection

• Resolution Matched Shadow Maps (RMSM) [Lefohn+, 2007] をベースにする• 性能はいいけど expensive

• 完璧な alias-free を狙うのではなく、そこそこ良くてそこそこの軽さにしたい• Cluster/Light Pair 毎に (1) で計算!!!!

• S: Cluster が占めるピクセル数• α: 光源に対する、Cluster の Bounding Sphere の立体角

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Shadow Map Allocation•各光源ごとに Cube Map で Shadow Map を確保

• 解像度は式（１）で求めたもの!!!!!!

•図の場合、Shadow Map の一部しか使われない•しかもCluster がスクリーンに占める割合が大きいとCube Mapはかなり大きくなってメモリに乗り切らなくなる

• => Virtual Cube Map を用いる

Light Source

Cluster Shadow map

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Shadow Map Allocation - Virtual Cube Map

• Virtual Texture•仮想メモリのようなテクスチャ

•テクスチャの全ての領域がメモリ上にのらず、Commit した領域だけが利用される

• 各領域は「ページ」と呼ぶ

• OpenGL 4.4 extension を利用

• ARB_sparse_texture

Committed

Not Commite

d

1024 Texels

1024

256

256

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Shadow Map Allocation - Virtual Page Mask

• Virtual Cube Map

• Commit / Uncommit が必要

•どのページをCommitすべきかを把握する必要がある

• Virtual Cube Map とは別に、Commit すべきかどうかのフラグを保持するCube Map (Virtual Page Mask) を作る

Com Not Com

0 0

0 0

0 0 0

0 0 0

1

1 1

1

1

0Virtual Cube Map Virtual Page Mask

フラグを参照して Commit/Uncommit14









9.Shade samples.

ここまでやった

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Culling Shadow-Casting Geometry

• Batch (適当なポリゴンの集合) 単位でのカリング• Cluster とは関係なく、全てのポリゴンに対しての処理

• Batch を BVH (Bounding Volume Hierarchy) で格納• BVH をトラバースすることでライトとの交差判定を行う

• Batch の AABB が、ライトのどの方向と交差したかを格納する• Cube-face mask (CFM)

Cube Culling Planes

Light Sphere

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Rasterize Shadow Maps• 各ライト毎に通常の Shadow Map のプロセスを走らせる

• ここ自体は既存手法と大差ない

• Shadow Map を使うときに、Virtual Cube Map の使用する領域をCommitする必要がある、という点のみ

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Basic Algorithm• 基本的な流れはこれで終わり

• しかし、この基本的なアルゴリズムだけではカリング等の高速化が不十分なので、さらに機能を付け足していく

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• Basic Algorithm


• Implementation



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Projection Maps•可視領域に shadow receiver が存在しない shadow-caster => 計算するだけ無駄

•うまくカリングしたい

Eye/Camera

Shadow casters

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Projection Maps•可視領域に shadow receiver が存在しない shadow-caster => 計算するだけ無駄

•うまくカリングしたい

Eye/Camera

Shadow casters 無駄な shadow-caster

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•どうやって無駄なshadow-casterを判別するか

1. ライトに紐づいたshadow-caster をマッピング (shadow mapとは別の、各面32x32bitのフラグ用cube mapへ書き込む)

Projection Maps

Eye/Camera

※shadow-caster は Cluster に含まれていないが、Batch カリングの際に発見しているのでマッピンが可能

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1. ライトに紐づいたshadow-caster をマッピング

2. ライトに紐づいた Cluster 内の Batches をマッピング

Projection Maps

Eye/Camera

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1. ライトに紐づいたshadow-caster をマッピング

2. ライトに紐づいた Cluster 内の Batches をマッピング

3. オーバーラップが無い場合 => カリング

Projection Maps

Eye/Camera

Projection overlaps: Draw shadow caster

No overlap: Cull shadow caster

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•同じライトでもClusterによって要求されるshadow mapの解像度が異なる

Non-uniform Light Sizes

•ライト毎に最大で16個のshadow mapを作る

•要求された解像度のうち、解像度が高いものを最大16個使う

•今回の実装では 4 SM/light

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•視点から遠くにある Light/Cluster Pair についての処理

• Shadow Map の解像度が 96x96 以下の場合、Ray Tracing を用いて LoD (Level of Detail) を行う

• Shadow receiver からライトに ray を飛ばし、間に shadow caster があるかどうか判断

•ポリゴンそのままではなく Voxel 表現を使う[Kämpe+, 2013]

• Occlusion を事前計算しておいて高速化 (詳細不明)

Level of Detail

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• Cluster の AABB の表現を工夫したというお話

•各軸を10分割してグリッドを作成

• AABB がそのグリッドのどこからどこまで存在するかをビットで表現 (各軸10bit × 3軸 = 30bit)

Explicit Cluster Bounds

Cluster

００１１１１００１１１０

ビット表現: 001111

ビット表現: 001110

• AABBの統合、Overlap の判定等が高速にできるようになる

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目次• Introduction

• Basic Algorithm


• Implementation



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• OpenGL と CUDA で実装

• Computationally intense な計算にCPUは使わない。全部GPU

Implementation

読む気が失せる処理全体のフロー29

•基本的には最初に説明した Basic Algorithm のフロー通り

•各フローを細かく分解して並べただけ

•カリングの際に Projection Map を並列で動かす部分だけ追加されている

!

Implementation

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Shadow Map Resolution Selection

• CUDA を利用して並列計算

• Cluster/Light pair 毎に CUDA の kernel を走らせて計算

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Culling Shadow-Casting Geometry

• Batch Hierarchy Construction• Batchの作り方: Transform を共有し、近くに存在する triangles で構成 (事前計算)。今回は最大 128 triangles/batch

• Batch の AABB は毎フレーム計算

• BVHの作り方 left balanced 32-way BVH [Olsson+, 2012]

• Hierarchy Traversal• SM 毎に CUDA block を立ち上げて traverse (32-way BVH にする理由)

• 2pass で traverse を行う

• 1pass: batch の counting と traverse 結果のための storage allocate

• 2pass: 描画する batch の indices やCMF等を出力

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• Virtual Cube Shadow Map

• OpenGL 4.4 ARG extension

• 16-bit depth texture

•ページサイズ: 256x256 texels

•解像度: 最大 8Kx8K

• Virtual Page Masks: 最大 32x32 bits

Shadow Map Allocation

Committed …

Not Commit

ed

…

… … …

8K Texels

8K

256

256

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•実際のところ、現在のGPUだと Virtual Texture の Commit はとんでもなく遅い

•全部 Virtual Texture でまかなうのは無理

•通常の Cube Map を、事前にある程度解像度別にプールしておき、それが足りなくなったら Virtual Texture を使う

• Game Console だとそこまで遅くはならない、という主張

• Direct API でリソース管理が行えるから

• AMD_texture_tile_pool [Sellers+, 2013] 等

Shadow Map Allocation

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•特殊な事はせずに straight forward に描画

• Shadow Map 毎に glMultiDrawElementsIndirect

!

•その他いくつかの工夫

•色々あるけど細かい事なので割愛 (§5.4)

Rasterizing Shadow Caster Geometry

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• Basic Algorithm


• Implementation



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• NECROPOLIS でのパフォーマンス

Results - Performance

Ray Tracing だけ

Ray Tracing 含めた全ての手法詰め

Ray Tracing 除いた全ての手法

ピーク時はこっちの方が悪い

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• HOUSES でのパフォーマンス

• PMCD-EB-LOD がパフォーマンスいい

• PMCD-EB-LOD: レイトレ以外入れたもの＋従来のポリゴンベースのLOD

• Hybrid: レイトレ入り全部

Results - Performance

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•描画された triangles の数の変化 (NECROPOLIS)

• Hybrid (レイトレによるLODが入ったフル機能) が効率良い！

Results - Culling Efficiency

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• Allocate された shadow map の texels 数 (NECROPOLIS)

• PMCD-EB-1SM/4SM: 1つのライトあたりSMが1つ/4つ

• PMCD-EB-U2/U4: Undersampling x2/x4

Results - Memory Usage

• SM1つだと頻繁に確保し直しが発生する

• SMのサイズが小さく、ライトの密度が高いときにMemory Usage が大きくなる

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•上: (1)式で解像度を決めた事によって発生したアーティファクト

•下: 上の絵にテクスチャを付けてPCF (Percentage-Closer Filter) を効かせた

!

•結果的にアーティファクトはあまり目立たない

Results - Quality

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• Basic Algorithm


• Implementation



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• Conclusion

• Cluster Shading を利用して効率的なカリングが出来た

• Virtual Cube Map を利用して、メモリ利用量、さらなるカリングの効率化を行った

• Ray Tracing との Hybrid な手法を提案

• Future Work

•さらにアグレッシブなカリング手法 (max-depth culling 等)

•ライトの事前分布を利用した効率的な手法の提案

Conclusion and Future Work

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論文について• Ola Olsson, Erik Sintorn, Viktor Kämpe, Markus Billeter and Ulf

Assarsson, Efficient Virtual Shadow Maps for Many Lights, Proceedings of the ACM SIGGRAPH Symposium on Interactive 3D Graphics and Games, 2014.

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• 本資料の図、グラフ等は、論文中から一部引用して使わて頂いています

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