3D Meshes

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Video Game Dev 2015/2016 Univ. Insubira

3D Meshes

Marco Tarini

Mesh triangolari

i Modelli 3D universali dei games

Struttura dati per modellare oggetti 3D

GPU friendly

Risoluzione (potenzialmente) adattiva

“Complessità” = numero facce

Superfice lineare a tratti

composta da triangoli

(spesso adiacenti lato-a-lato)

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Mesh triangolare (o mesh simpliciale)

Un insieme di triangoli adiacenti

facce

vertici

spigoli (o edges)

Mesh (di triangoli):

struttura dati

Componenti:

geometria

i vertici, ciascuno con pos (x,y,z) un campionamento della superficie!

connettività (a volte: “topologia”) come sono connessi i vertici (es.: in una tri-mesh, i triangoli) attributi

es: colore, materiali, normali, UV, …

(3)

Mesh: geometria

Insieme di posizioni dei vertici

Un vettore posizione (x,y,z) per ogni vertice (Spazio Oggetto)

V2

V3

V5 V4

V1

Mesh: connettività

(o topologia)

Triangoli (o quads, o edges…)

che connettono fra loro i vertici

Come nodi connessi da archi, in un grafo

V2

V3

V4 V1

T1

T2

T3

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Mesh: attributi

Quantità che variano sulla superficie

Campionati per vertice, interpolati nei poly

V2

V3

V5 V4

V1

T1

T2

T3

RGB3 RGB2

RGB5 RGB4

RGB1

Mesh: attributi

Proprietà che variano sulla superficie

vettoriali o scalari

Memorizzati per ogni vertice (almeno, nei games)

Interpolati all’interno delle facce

interpolazione lineare Nota: per costruzione, C0 continui fra facce adiacenti

E, in generale, C1 discontinui fra facce adiacenti

Attributi più diffusi nei games:

Colore

per: baked lighting (ambient occlusion)

per: base color (RGB)

Normale

per: re-lighting dinamico Coordinate tessitura (lo “uv mapping” della mesh)

per: texture mapping

Direzioni tangenti per: normal mapping Bone assignments (lo “skinning” della mesh)

per: animazioni scheletali

VEDREMO

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Meshes: complessità crescente

70.000 △

1994

Meshes: complessità crescente

1.200.000 △

1997

(6)

Meshes: complessità crescente

2.000.000.000 △

2002

Low Poly Meshes

(7)

Anche nei games

800 △ Unreal Torunement (1999)

Anche nei games

Unreal Torunement 2K3 (2002)

3000 △

(8)

Anche nei games

Unreal Torunement 2K3 (2002)

3000 △

Unreal Torunement 3 (2007)

4500 △

solo l’arma questa, 12000 △

800 △ (1999)

3000 △ (2002)

15000 △ (2006)

(9)

Anche nei games

230 △ (1996)

300 △ (1998)

30.000 △ (2008)

48.000 △ (2012) 4.000 △

(2002)

pixel art

: (high-res) mesh

(high res) image

= :

low-poly

model

(10)

Metal Slug (1996, Nazca Copr), on Neo Geo (SNK) Solomons’s key

(1986, Temco) on Z80

reminder:

per tutti gli ‘80,

il principaleassetdei games è consistito da

sprites / tilemapsin pixel art ...

Come rappresento una mesh?

(quali strutture dati) Modo

diretto:

un vettore di triangoli

e per ogni triangolo: tre vertici e per ogni vertice: tre coordinate

Ma: replicazione dati poco efficiente in spazio oneroso fare updates

poichè molti dei triangoli di una una tri-mesh sono adiacenti (facce adiacenti condividono vertici)

(11)

Come rappresento una mesh?

(quali strutture dati) Modo

indexed:

Geometria: array di vertici

in ogni vertice, posizione e attributi Attributi:

nei vertici

(e.g. campi della classe “vertice”)

Connettività: (a volte anche: “topologia”) Array di triangoli

Per ogni triangolo:

tripletta di indicia vertice

Tasks of the Game Engine for Meshes

Import (from disk)

Simple Pre-processing

e.g.: Compute Normals (if needed, i.e. rarely) e.g.: Compute Tangent Dirs

e.g.: Bake Lighting (sometimes)

Render

(graphic engine) GPU based

+ animate (more abot this later)

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Rendering of a Mesh in a nutshell

Load…

store all data on GPU RAM Geometry + Attributes Connectivity

Textures Shaders

Parameters / Settings

…and Fire!

send the command: “do it” !

THE MESH

THE “MATERIAL”

Simplified schema of: “PC + Video Card”

BUS

26

CPU

ALU

(main)

RAM

Disk Video Card

…

Internal bus Internal bus

(of video card)

RAM(GPU)

GPU

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Mesh GPU Object

LOAD

Life of a Mesh in a Game Engine

DISK CENTRAL RAM GPU RAM

PREPROCESS (maybe) Mesh Object

IMPORT

Mesh File

Mesh FileMesh

FileMesh FileMesh

FileMesh

Mesh GPU Object

Memory Management !

DISK CENTRAL RAM GPU RAM

Mesh Object Mesh

File

Mesh GPU Object Mesh

Object Mesh

File

Mesh GPU Object Mesh

Object Mesh

FileMesh FileMesh

File Mesh

ObjectMesh ObjectMesh

Object

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Mesh File

A file of a given format sitting on the disk

Choices for the game engine:

which formats(s) to import?

proprietary, standard…

storing which attribute?

Issues:

storage cost loading time

LetteraL.off

Esempio di formato file di mesh indexed:

il formato OFF

1 5 1 0 5 1 4 3 2 1 0 4 5 4 3 0 4 6 7 8 9 4 6 9 10 11 4 0 1 7 6 4 1 2 8 7 4 2 3 9 8 4 3 4 10 9 4 4 5 11 10 4 5 0 6 11 OFF

12 10 40 0 0 0 3 0 0 3 1 0 1 1 0 1 5 0 0 5 0 0 0 1 3 0 1 3 1 1 1 1 1

# vertici

# facce # edges

x,y,z 2ndo vert

prima faccia:

4vertici:

con indici 3, 2, 1 e 0 indice 0

indice 3 indice 2 indice 1

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Formati file per mesh più usati nei games

.OBJ(wavefront)

☺max diffusione

☺indexed, normali , uv-mapping no colori (solo indice materiale x faccia) no skinning o ani

.SMD ( )

☺animazioni scheletali + skinning

☺normali , uv-mapping no indexed!

no colori .MD3 (Quake, IDsoft)

☺vertex animations, normali no colori

.PLY (cyberware)

☺customizzabile

“accademico”

.3DS ( )

☺si: colori, uv-mapping, indexed, materiali, tessiture…

no: normali

limite al numero di vert (64K) .COLLADA( )

☺completissimo

☺nato apposta per essere interscambio

☺open standard

quasi impossibile da parsare completamente .FBX ( )

☺completo, comprese animations complesso, difficile da parsare .MA /.MB ( )

☺completo, comprese animations complesso, difficile da parsare

semplici complessi

più diffusimeno diffusi

Mesh Object

A (C++ / Javascript / etc) structure in main RAM

Choices for the game engine:

which attribute to store?

storage formats… (floats, bytes, double…) which preprocessing to offer

(typically at load time)

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Come rappresento una mesh?

(quali strutture dati) Modo

indexed in C++ :

class Vertex { vec3 pos;

rgb color; /* attribute 1 */

vec3 normal; /* attribute 2 */

};

class Face{

int vertexIndex[3];

};

class Mesh{

vector<Vertex> verts; /* geom + attr */

vector<Face> faces; /* connettivita’ */

};

Mesh GPU Object

VBO / Vertex Arrays / etc

buffers storing “tables” for geometry, connectivity, etc.

Sitting in GPU RAM

The most precious one !

Ready to render!

Choices for Game Engine:

which GPU mechanism storage formats

balance storage cost / precision / computatuion

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Indexed mesh in GPU RAM

Buffers

V2

V3

V5 V4

V1

T1

T2

T3

Tri:

Wedge 1:

Wedge 2:

Wedge 3:

T1 V4 V1 V2

T2 V4 V2 V5

T3 V5 V2 V3

vert X Y Z R G B

V1 x1 y1 z1 r1 g1 b1 V2 x2 y2 z2 r2 g2 b2 V3 x3 y3 z3 r3 g3 b3 V4 x4 y4 z4 r4 g4 b4 V5 x5 y5 z5 r5 g5 b5 GEOMETRIA + ATTRIBUTI

CONNETTIVITA’