Aufgeschobene Kachelschattierung, Kachel-Frusta-Berechnung in OpenGL

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Ich versuche, mit dem Compute-Shader eine verzögerte Kachelschattierung in OpenGL durchzuführen, aber ich habe einen Haken beim Versuch, den Kegelstumpf für jede Kachel zu erstellen. Ich verwende AMDs Forward + -Demo (geschrieben in D3D) als Leitfaden, aber Lichter scheinen ausgesondert zu sein, wenn sie nicht sollten.

AKTUALISIEREN

Lesen Sie unten für Updates.

Dies ist mein (vollständiger) Compute-Shader:

    #version 430 core

#define MAX_LIGHTS 1024
#define MAX_LIGHTS_PER_TILE 40

#define WORK_GROUP_SIZE 16

struct PointLight
{
    vec3 position;
    float radius;
    vec3 color;
    float intensity;
};

layout (binding = 0, rgba32f) uniform writeonly image2D outTexture;
layout (binding = 1, rgba32f) uniform readonly image2D normalDepth;
layout (binding = 2, rgba32f) uniform readonly image2D diffuse;
layout (binding = 3, rgba32f) uniform readonly image2D specular;
layout (binding = 4, rgba32f) uniform readonly image2D glowMatID;

layout (std430, binding = 5) buffer BufferObject
{
    PointLight pointLights[];
};

uniform mat4 view;
uniform mat4 proj;
uniform mat4 viewProj;
uniform mat4 invViewProj;
uniform mat4 invProj;
uniform vec2 framebufferDim;

layout (local_size_x = WORK_GROUP_SIZE, local_size_y = WORK_GROUP_SIZE) in;

shared uint minDepth = 0xFFFFFFFF;
shared uint maxDepth = 0;
shared uint pointLightIndex[MAX_LIGHTS];
shared uint pointLightCount = 0;

vec3 ReconstructWP(float z, vec2 uv_f)
{
    vec4 sPos = vec4(uv_f * 2.0 - 1.0, z, 1.0);
    sPos = invViewProj * sPos;

    return (sPos.xyz / sPos.w);
}

vec4 ConvertProjToView( vec4 p )
{
    p = invProj * p;
    p /= p.w;
    return p;
}

// calculate the number of tiles in the horizontal direction
uint GetNumTilesX()
{
    return uint(( ( 1280 + WORK_GROUP_SIZE - 1 ) / float(WORK_GROUP_SIZE) ));
}

// calculate the number of tiles in the vertical direction
uint GetNumTilesY()
{
    return uint(( ( 720 + WORK_GROUP_SIZE - 1 ) / float(WORK_GROUP_SIZE) ));
}


vec4 CreatePlaneEquation( vec4 b, vec4 c )
{
    vec4 n;

    // normalize(cross( b.xyz-a.xyz, c.xyz-a.xyz )), except we know "a" is the origin
     n.xyz = normalize(cross( b.xyz, c.xyz ));

    // -(n dot a), except we know "a" is the origin
    n.w = 0;

    return n;
}

float GetSignedDistanceFromPlane( vec4 p, vec4 eqn )
{
    // dot( eqn.xyz, p.xyz ) + eqn.w, , except we know eqn.w is zero 
    // (see CreatePlaneEquation above)
    return dot( eqn.xyz, p.xyz );
}

vec4 CalculateLighting( PointLight p, vec3 wPos, vec3 wNormal, vec4 wSpec, vec4 wGlow)
{
    vec3 direction = p.position - wPos;

    if(length(direction) > p.radius)
        return vec4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f);

    float attenuation = 1.0f - length(direction) / (p.radius);
    direction = normalize(direction);
    float diffuseFactor = max(0.0f, dot(direction, wNormal)) * attenuation;
    return vec4(p.color.xyz, 0.0f) * diffuseFactor * p.intensity;
}


void main()
{
        ivec2 pixelPos = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);
        vec2 tilePos = vec2(gl_WorkGroupID.xy * gl_WorkGroupSize.xy) / vec2(1280, 720);

        vec4 normalColor = imageLoad(normalDepth, pixelPos);

        float d = normalColor.w;

        uint depth = uint(d * 0xFFFFFFFF);

        atomicMin(minDepth, depth);
        atomicMax(maxDepth, depth);

        barrier();

        float minDepthZ = float(minDepth / float(0xFFFFFFFF));
        float maxDepthZ = float(maxDepth / float(0xFFFFFFFF));

        vec4 frustumEqn[4];
        uint pxm = WORK_GROUP_SIZE * gl_WorkGroupID.x;
        uint pym = WORK_GROUP_SIZE * gl_WorkGroupID.y;
        uint pxp = WORK_GROUP_SIZE * (gl_WorkGroupID.x + 1);
        uint pyp = WORK_GROUP_SIZE * (gl_WorkGroupID.y + 1);

        uint uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes = WORK_GROUP_SIZE * GetNumTilesX();
        uint uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes = WORK_GROUP_SIZE * GetNumTilesY();

        vec4 frustum[4];
        frustum[0] = ConvertProjToView( vec4( pxm / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pym) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f, 1.0f) );
        frustum[1] = ConvertProjToView( vec4( pxp / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pym) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f, 1.0f) );
        frustum[2] = ConvertProjToView( vec4( pxp / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pyp) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f ,1.0f) );
        frustum[3] = ConvertProjToView( vec4( pxm / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pyp) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f, 1.0f) );

        for (int i = 0; i < 4; i++)
            frustumEqn[i] = CreatePlaneEquation(frustum[i], frustum[(i+1) & 3]);

        barrier();

        int threadsPerTile = WORK_GROUP_SIZE * WORK_GROUP_SIZE;

        for (uint i = 0; i < MAX_LIGHTS; i+= threadsPerTile)
        {
            uint il = gl_LocalInvocationIndex + i;

            if (il < MAX_LIGHTS)
            {
                PointLight p = pointLights[il];

                vec4 viewPos = view * vec4(p.position, 1.0f);
                float r = p.radius;

                if (viewPos.z + minDepthZ < r && viewPos.z - maxDepthZ < r)
                {

                if( ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[0] ) < r ) &&
                    ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[1] ) < r ) &&
                    ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[2] ) < r ) &&
                    ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[3] ) < r) )

                    {
                        uint id = atomicAdd(pointLightCount, 1);
                        pointLightIndex[id] = il;
                    }
                }

            }
        }

        barrier();

        vec4 diffuseColor = imageLoad(diffuse, pixelPos);
        vec4 specularColor = imageLoad(specular, pixelPos);
        vec4 glowColor = imageLoad(glowMatID, pixelPos);

        vec2 uv = vec2(pixelPos.x / 1280.0f, pixelPos.y / 720.0f);

        vec3 wp = ReconstructWP(d, uv);
        vec4 color = vec4(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

        for (int i = 0; i < pointLightCount; i++)
        {
            color += CalculateLighting( pointLights[pointLightIndex[i]], wp, normalColor.xyz, specularColor, glowColor);
        }

        barrier();

        if (gl_LocalInvocationID.x == 0 || gl_LocalInvocationID.y == 0 || gl_LocalInvocationID.x == 16 || gl_LocalInvocationID.y == 16)
            imageStore(outTexture, pixelPos, vec4(.2f, .2f, .2f, 1.0f));
        else
        {
            imageStore(outTexture, pixelPos, color);
            //imageStore(outTexture, pixelPos, vec4(maxDepthZ));
            //imageStore(outTexture, pixelPos, vec4(pointLightCount / 128.0f));
            //imageStore(outTexture, pixelPos, vec4(vec2(tilePos.xy), 0.0f, 1.0f));
        }
}

Dies ist der Teil, von dem ich denke, dass er das Problem ist, der Keulungsteil:

        barrier();

    float minDepthZ = float(minDepth / float(0xFFFFFFFF));
    float maxDepthZ = float(maxDepth / float(0xFFFFFFFF));

    vec4 frustumEqn[4];
    uint pxm = WORK_GROUP_SIZE * gl_WorkGroupID.x;
    uint pym = WORK_GROUP_SIZE * gl_WorkGroupID.y;
    uint pxp = WORK_GROUP_SIZE * (gl_WorkGroupID.x + 1);
    uint pyp = WORK_GROUP_SIZE * (gl_WorkGroupID.y + 1);

    uint uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes = WORK_GROUP_SIZE * GetNumTilesX();
    uint uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes = WORK_GROUP_SIZE * GetNumTilesY();

    vec4 frustum[4];
    frustum[0] = ConvertProjToView( vec4( pxm / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pym) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f, 1.0f) );
    frustum[1] = ConvertProjToView( vec4( pxp / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pym) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f, 1.0f) );
    frustum[2] = ConvertProjToView( vec4( pxp / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pyp) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f ,1.0f) );
    frustum[3] = ConvertProjToView( vec4( pxm / float(uWindowWidthEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, (uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes - pyp) / float(uWindowHeightEvenlyDivisibleByTileRes) * 2.0f - 1.0f, 1.0f, 1.0f) );

    for (int i = 0; i < 4; i++)
        frustumEqn[i] = CreatePlaneEquation(frustum[i], frustum[(i+1) & 3]);

    barrier();

    int threadsPerTile = WORK_GROUP_SIZE * WORK_GROUP_SIZE;

    for (uint i = 0; i < MAX_LIGHTS; i+= threadsPerTile)
    {
        uint il = gl_LocalInvocationIndex + i;

        if (il < MAX_LIGHTS)
        {
            PointLight p = pointLights[il];

            vec4 viewPos = view * vec4(p.position, 1.0f);
            float r = p.radius;

            if (viewPos.z + minDepthZ < r && viewPos.z - maxDepthZ < r)
            {

            if( ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[0] ) < r ) &&
                ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[1] ) < r ) &&
                ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[2] ) < r ) &&
                ( GetSignedDistanceFromPlane( viewPos, frustumEqn[3] ) < r) )

                {
                    uint id = atomicAdd(pointLightCount, 1);
                    pointLightIndex[id] = il;
                }
            }

        }
    }

    barrier();

Das Seltsame ist, dass wenn ich die Lichtanzahl pro Kachel visualisiere, alle Kacheln eine Art von Licht haben (erstes Bild).

Das zweite Bild zeigt die endgültige Ausgabe, eine dünne Linie von Lichtern in der Mitte des Bildschirms und nichts darüber oder darunter. Das Entfernen der Keulung (GetSignedDistanceFromPlane ()) führt zum gewünschten Ergebnis, obwohl meine Framerate wie ein Stein abfällt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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Meine Vermutung wäre, dass der Kegelstumpf falsch konstruiert ist, aber ich bin mir nicht sicher, welche Mathematik dahinter steckt, und könnte jetzt Hilfe gebrauchen.

Bearbeiten: Ein weiteres Bild wurde hinzugefügt, das die erwartete Ausgabe zeigt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

UPDATE 1

Wir haben die Art und Weise der Keulung geändert. Der Code sieht jetzt folgendermaßen aus:

barrier();

float minDepthZ = float(minDepth / float(0xFFFFFFFF));
float maxDepthZ = float(maxDepth / float(0xFFFFFFFF));

//total tiles = tileScale * 2
vec2 tileScale = vec2(1280, 720) * (1.0f / float(2*WORK_GROUP_SIZE));
vec2 tileBias = tileScale - vec2(gl_WorkGroupID.xy);

vec4 c1 = vec4(-proj[0][0] * tileScale.x, 0.0f, tileBias.x, 0.0f);
vec4 c2 = vec4(0.0f, -proj[1][1] * tileScale.y, tileBias.y, 0.0f);
vec4 c4 = vec4(0.0f, 0.0f, 1.0f, 0.0f);

 // Derive frustum planes
vec4 frustumPlanes[6];
// Sides
//right
frustumPlanes[0] = c4 - c1;
//left
frustumPlanes[1] = c4 + c1;
//bottom
frustumPlanes[2] = c4 - c2;
//top
frustumPlanes[3] = c4 + c2;
// Near/far
frustumPlanes[4] = vec4(0.0f, 0.0f,  1.0f, -minDepthZ);
frustumPlanes[5] = vec4(0.0f, 0.0f, -1.0f,  maxDepthZ);

for(int i = 0; i < 4; i++)
{
    frustumPlanes[i] *= 1.0f / length(frustumPlanes[i].xyz);
}

//DO CULLING HERE
for (uint lightIndex = gl_LocalInvocationIndex; lightIndex < numActiveLights; lightIndex += WORK_GROUP_SIZE)
{
    PointLight p = pointLights[lightIndex];

    if (lightIndex < numActiveLights)
    {
        bool inFrustum = true;
        for (uint i = 0; i < 4; i++)
        {
            float dd = dot(frustumPlanes[i], view * vec4(p.position, 1.0f));
            inFrustum = inFrustum && (dd >= -p.radius_length);
        }

        if (inFrustum)
        {
            uint id = atomicAdd(pointLightCount, 1);
            pointLightIndex[id] = lightIndex;
        }
    }
}

barrier();

Dies funktioniert besser, unsere Lichter werden jetzt ordnungsgemäß (mit Ausnahme der minimalen / maximalen Tiefe, da sie noch nicht ordnungsgemäß implementiert sind) gegen unsere Kacheln ausgesondert. So weit, so gut, ABER! Wir haben ein Problem mit Lichtkanten, die Fliesen decken nicht den gesamten Lichtradius ab und die Leistung ist großartig. 1024 Lichter geben bestenfalls 40fps mit Tonnen von Stottern.

Dieses Video zeigt, was an Kanten passiert, die grauen Kacheln sind die Kacheln, die vom Licht beeinflusst werden (Einzelpunktlicht) und die roten Teile sind schattierte Geometrie.

http://www.youtube.com/watch?v=PiwGcFb9rWk&feature=youtu.be

Skalieren Sie den Radius so, dass er beim Keulen größer ist, "funktioniert", aber die Leistung sinkt noch mehr.

opengl glsl tiles deferred-rendering frustum Bentebent
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Antworten:

5

Endgültige Antwort, das Leistungsproblem gelöst! Stattdessen wurde meine Culling-Schleife geändert (basierend auf der von Dice in BF3 verwendeten).

uint threadCount = WORK_GROUP_SIZE * WORK_GROUP_SIZE;
    uint passCount = (numActiveLights + threadCount - 1) /threadCount;
for (uint passIt = 0; passIt < passCount; ++passIt)
{
    uint lightIndex =  passIt * threadCount + gl_LocalInvocationIndex;

    lightIndex = min(lightIndex, numActiveLights);

    p = pointLights[lightIndex];
    pos = view * vec4(p.position, 1.0f);
    rad = p.radius_length;

    if (pointLightCount < MAX_LIGHTS_PER_TILE)
    {
        inFrustum = true;
        for (uint i = 3; i >= 0 && inFrustum; i--)
        {
            dist = dot(frustumPlanes[i], pos);
            inFrustum = (-rad <= dist);
        }

        if (inFrustum)
        {
            id = atomicAdd(pointLightCount, 1);
            pointLightIndex[id] = lightIndex;
        }
    }
}

Ich kann jetzt 4096 Lichter mit 80 fps machen, ich bin mehr als glücklich.

Bentebent
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2

Habe das Problem teilweise gelöst. Dies ist der neue Culling-Code, der für alles außer der Fern- und Nah-Ebene funktioniert. Die Leistung ist immer noch ziemlich schlecht. Wenn also jemand sehen kann, was dazu führen könnte, wäre er dankbar.

        ivec2 pixel = ivec2(gl_GlobalInvocationID.xy);

    vec4 normalColor = imageLoad(normalDepth, pixel);

    float d = normalColor.w;

    uint depth = uint(d * 0xFFFFFFFF);

    atomicMin(minDepth, depth);
    atomicMax(maxDepth, depth);

    barrier();

    float minDepthZ = float(minDepth / float(0xFFFFFFFF));
    float maxDepthZ = float(maxDepth / float(0xFFFFFFFF));

    vec2 tileScale = vec2(1280, 720) * (1.0f / float( 2 * WORK_GROUP_SIZE));
    vec2 tileBias = tileScale - vec2(gl_WorkGroupID.xy);

    vec4 col1 = vec4(-proj[0][0]  * tileScale.x, proj[0][1], tileBias.x, proj[0][3]); 

    vec4 col2 = vec4(proj[1][0], -proj[1][1] * tileScale.y, tileBias.y, proj[1][3]);

    vec4 col4 = vec4(proj[3][0], proj[3][1],  -1.0f, proj[3][3]); 

    vec4 frustumPlanes[6];

    //Left plane
    frustumPlanes[0] = col4 + col1;

    //right plane
    frustumPlanes[1] = col4 - col1;

    //top plane
    frustumPlanes[2] = col4 - col2;

    //bottom plane
    frustumPlanes[3] = col4 + col2;

    //near
    frustumPlanes[4] =vec4(0.0f, 0.0f, -1.0f,  -minDepthZ);

    //far
    frustumPlanes[5] = vec4(0.0f, 0.0f, -1.0f,  maxDepthZ);

    for(int i = 0; i < 4; i++)
    {
        frustumPlanes[i] *= 1.0f / length(frustumPlanes[i].xyz);
    }

    //DO CULLING HERE
    for (uint lightIndex = gl_LocalInvocationIndex; lightIndex < numActiveLights; lightIndex += WORK_GROUP_SIZE)
    {
        PointLight p = pointLights[lightIndex];

        if (pointLightCount < MAX_LIGHTS_PER_TILE)
        {
            bool inFrustum = true;
            for (uint i = 3; i >= 0 && inFrustum; i--)
            {
                float dd = dot(frustumPlanes[i], view * vec4(p.position, 1.0f));
                inFrustum = (dd >= -p.radius_length);
            }

            if (inFrustum)
            {
                uint id = atomicAdd(pointLightCount, 1);
                pointLightIndex[id] = lightIndex;
            }
        }
    }

    barrier();

In Aktion:

http://www.youtube.com/watch?v=8SnvYya1Jn8&feature=youtu.be

Bentebent
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Ich habe ein wenig Erfahrung mit der Implementierung von lichtindiziertem Rendern / Zurückstellen. Was die Kanten der Lichter betrifft , möchten Sie vielleicht einen Blick auf imdoingitwrong.wordpress.com/2011/01/31/light-attenuation werfen. Auf diese Weise können Sie einen Schwellenwert angeben, mit dem die Lichter ausgeschaltet werden sollen, und eine Gleichung zur Berechnung angeben die Skala, die Sie in den Shader übergeben. Bei nahen und fernen Flugzeugen hatte ich große Probleme mit indiziertem Licht. Die beste Methode, die ich gefunden habe, war, den gesamten Bildschirm für Lichter zu erstellen, die die nahe Ebene schneiden. Was die ferne Ebene betrifft, möchten Sie vielleicht die Tiefenklemmung (GL_ARB_depth_clamp)
nachschlagen
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Sorry, nicht genug Platz :). In Bezug auf die Leistung möchten Sie wahrscheinlich Ihre Anwendung profilieren. Ich würde mir vorstellen, die Beleuchtungsberechnung in den if (inFrustum) -Test zu verschieben, da Sie nicht in den Speicher schreiben, schleifen und aus dem Speicher lesen müssen, um die Beleuchtung zu berechnen.
Ashleysmithgpu
Danke für die Hilfe! Ich habe versucht, ein Profil zu erstellen, und es ist die Culling-Phase, die derzeit die Leistung beeinträchtigt. Insbesondere scheint es, in inFrustum (inFrustum = (dd> = -p.radius_length) zu schreiben; aus irgendeinem Grund ist die Leistung absolut mörderisch und ich habe keine Ahnung warum? Es sollte im lokalen Speicher sein und nicht zwischen Threads geteilt werden, denke es könnte sein Sie sind sich nicht ganz sicher, wie Sie die Lichtberechnung in den if (inFrustum) -Zustand verschieben sollen, da jeder Thread eine vollständige Liste der Lichter benötigt.
Bentebent