Les Arbres BSP - IUT d'Arles

Synthèse d’images
Les Arbres BSP
LP SIL IN
Jacques Debicki
Maxime Giavelli

PLAN
• Introduction
• Culling
• Binary Space Partitioning Trees
- En 2D : Quadtree
- En 3D : Octree
• Construction d'un arbre BSP
• Evolution
• Comparaison
• Remplacement progressif
• Conclusion
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Introduction
• Pourquoi éliminer les parties cachées ?
– Déterminer les lignes, arrêtes, surfaces et volumes visibles par
un observateur
• Les 2 techniques :
– Dans l’espace scène
• Élimination de faces arrières
• Tri des primitives selon leur éloignement
• Algorithme du peintre (Newell Newell et Sancha)
• Algorithme de tri par arbre binaire de partition de l'espace
– Dans l’espace image
• Subdivision récursive de l'image (Warnock)
• Test de profondeur
• Ligne de balayage : Scan-line (Watkins)
• Z-Buffer
• Lancer de rayons (Whitted)
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Culling
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Binary Space Partitioning Trees
Partition binaire de l'espace
• BSP-Tree : arbre binaire utilisé pour trier des primitives dans
l’espace
• Principe :
– Choix d'une arête de référence
• Subdivision de l’espace en 2 demi-espaces : in et out
ou devant et derrière
• Répartition des arêtes selon le demi-espace occupé
• Les arêtes à cheval sont découpées selon le plan de
référence
– Réitération dans les deux demi-espaces
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Binary Space Partitioning Trees
Partition binaire de l'espace
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En 2D : Quadtree
• Une méthode de division de
l’espace en 2D
• Un arbre où chaque nœud a
4 enfants
• Les enfants couvrent
chacun un quart de l’espace
du parent selon une grille
régulière
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En 3D : Octree
• Une méthode de division de l’espace en 3D
• Un arbre où chaque nœud a 8 enfants
• Les enfants sont des cubes qui couvrent l’espace du parent
selon une grille 2X2X2
• Le quadtree et l’octree peuvent allouer dynamiquement leur
nœud, ou allouer l’arbre au complet au départ. Ceci dépend
des besoins du programme et du nombre d’objets en
mouvement
• Pour ajouter un nœud, on utilise la technique suivante, en
partant à la racine de l’arbre :
On vérifie si l’objet peut être entièrement contenu dans un des fils
‣ Si oui, on recommence avec ce nœud comme nœud courant
‣ Si aucun noeud peut le contenir, on l’ajoute au nœud courant
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Construction d’un arbre BSP
Exemple d’arbre en 2D :
• Soit un solide délimité par quatre
sections appelées respectivement A,
B, C et D
• Chacun des segments possède une
normale de visibilité qui est dirigée
en dehors de la région solide
(représentée en bleu)
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Construction d’un arbre BSP
• Création du nœud principal en utilisant
le segment A (pris au hasard)
• Traçage d’une ligne intermédiaire (ligne
rose) parcourant le segment A
– Face de devant (zone jaune) :
Liste vide (aucuns polygones devant
le segment A)
création d’une feuille
représentant l’espace vide (signe moins)
– Face cachée (zone verte) :
Liste pas vide
partitionnement en un sous
espace derrière le segment A
placement des segments B, C et
D dans la liste des faces arrière
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Construction d’un arbre BSP
• Même méthode pour le
partitionnement du segment B :
• Traçage d’une seconde ligne
intermédiaire (rose)
– Face de devant (zone jaune) :
‣ segment C
‣ segment D en partie :
devant : pièce Dv
derrière : pièce Dc
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Construction d’un arbre BSP
• Partitionnement devant le noeud (liste
de C et Dv)
• Utilisation de Dv comme segment de
partitionnement
• C est l'unique polygone à classifier et il
se trouve derrière le segment Dv
Liste avant vide
création d’une feuille
représentant l’espace vide (signe moins)
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Evolution
• BSP 2D : ne permettait pas de créer des pièces superposées
sur l'axe Z (axe de la hauteur).
• 1 ère utilisation en 2 dimensions : la totalité des niveaux sous
Doom (décembre 1993).
• BSP 3D : maximum d'utilisation : présent dans le moteur de
Quake (mai 1996), de Unreal (mai 1998) ou de Half-life
(novembre 1998).
• Le BSP constituait alors la plus grande partie de l'architecture
globale des niveaux en 3D.
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Comparaison
Principal concurrent : Le peintre
• L'algorithme du peintre est l'une des solutions les plus simples pour
résoudre le problème de visibilité d'un rendu en 3D sur ordinateur.
• Il trie tous les polygones de la scène par rapport à leur distance de la
camera, du plus éloigné au plus proche, et les dessine dans cet ordre.
• Oblige le système à afficher chaque point de chaque polygone, même si ce
polygone est complètement caché par un autre une fois le rendu de la
scène terminé.
• Sur des implémentations basiques, l'algorithme du peintre peut être lent.
• Cela veut dire que dans des scènes détaillées, cet algorithme consomme
plus de ressources que nécessaire.
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Comparaison
• BSP-Tree :
– Choix de l'arête : arbre équilibré ?
– Construction indépendante de la position de l'observateur
– Coût mémoire plus élevé
– Pré-traitement plus long
– Temps de traitement plus court
– Plus de divisions de polygones mais affichage est plus direct
• Algorithme du peintre :
– Pas de pré-traitement
– Temps de traitement plus long
• Dans les deux cas : on affiche toute la scène
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Remplacement progressif
• Depuis les années 2000 environ, le BSP a tendance à être
supplanté pour les détails d'architectures et les décorations
complexes, par des systèmes mieux optimisés comme les
Static-Mesh (ex : Unreal 2).
• Pourquoi ?
– Les Static-Mesh (et leurs équivalents sous d'autres
moteurs) sont insensibles à tous les problèmes liés au BSP.
– Ils permettent d'améliorer la vitesse de chargement des
niveaux : un Static-Mesh n'a besoin de charger l'objet
qu'une seule fois puis de le dupliquer autant de fois que
nécessaire en lui appliquant les changements appropriés.
– La réduction du nombre d'accès aux disque dur permet
d‘augmenter les vitesses de certains jeux.
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Conclusion
• Choix de l’algorithme ?
Il faut savoir où travailler :
– Dans l’espace scène
– Dans l’espace image
• L’algorithme idéal dépend :
– De la complexité de la scène
– Du matériel disponible
– De ce qu’on veut faire en plus de l’affichage
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