DepthPrepass有効時のCoplanar PolygonによるGPU負荷増大 [UE][Rendering]

Sat, 31 Dec 2022 08:00:00 +0900

DepthPrepassレンダリングに関連して,
モデルやレベルの作りによってGPU負荷が増大してしまう特殊な状況について説明します.

問題

同一平面で重なり合うポリゴン(Coplanar Polygon)は, 重なりの数だけBasePass PixelShaderが実行される可能性があります.
これにより本来DepthPrepass環境で除去される不要なBasePass負荷が追加で発生します.

同一平面で重なり合うポリゴンを Coplanar Polygon と呼んでいます.
Lamina Faces や Z-Fighting状態のポリゴンというような表現もあると思います.
もっと良い呼び名があれば教えてください!

以下のサンプルシーンはOpaqueで適当ワールドノイズマテリアルのCubeをいくつか配置した状態です.
よくOverDraw負荷が問題となる半透明が無いシーンなので安心と思いきや, 表示モードを「シェーダ複雑度」へ切り替えてみると.

サンプルシーン

何故か高負荷を示す真っ白な部分があります.

RenderDocでキャプチャして「Quad Over Draw (Pass)」でOverDrawを確認します.

RenderDoc Quad Over Draw (Pass)

RenderDoc上でも確かに右側の配置でBasePassのOverDrawが発生しているようです.

BasePassではDeferredの場合はGBuffer書き込み, Forwardであれば複雑なLighting計算が実行されるため,本来実行されないはずのOpaqueでのBasePass OverDrawはGPU負荷に大きな影響を与えます.

原因

この問題の原因は深度が完全に一致するポリゴンが複数重なっている点と, DepthPrepass有りBasePassの仕組みの関係によるものです.

まずシーンの配置ですが, 左側の配置と同じ3つのCubeをポリゴンが重なるように配置しています *1.

このような状況では, DepthPrepass有効時のBasePassは重なり合ったポリゴンそれぞれについて全て実行されてしまい, 高負荷なBasePassが何度も実行されることによりGPU負荷を増大させます.

BasePassが複数回実行される理由

本来のDepthPrepass手法は, DepthPreapssで先に生成したDepthBufferを頼りに, 各Meshの可視ピクセルのマテリアルBasePass PixelShaderだけを最小限実行することで高速化するためのものです.
例として背景, 円柱, 板で構成されたシーンのDepthPrepass有りBasePassの挙動を以下に示します.
右側図の緑色部分がDepthTestを通過してBasePassのPixelShaderが実行されたピクセルになります.

DepthPrepassでDepthBufferが完成
円柱モデルBasePass描画
背景モデルBasePass描画
板モデルBasePass描画

各モデルのBasePassが, 最終的に画面に見えている部分でだけ働いているのがわかると思います.
このようにBasePassが無駄に実行されないようにして高速化するというのがDepthPrepassの目的となります.

これを実現するためにBasePassは

DepthWrite=OFF 且つ DepthTest=GreaterEqual

という設定をされます *2.

指摘がありましたので追記-> Maskedを含めたマテリアルをDepthPrePassを利用してEarlyZ有効で効率的に描画するために Equal なDepthTestで描画する場合があります. 本件のシーンではOpaqueを対象とし且つRenderDocキャプチャ等も確認したところGreaterEqualであったためこのように記述しています(UE5.3).

この設定によって, 各モデルのBasePass描画では

DepthPrepassで確定した深度値に対して
同じかそれより近い場合にのみ描画する

という挙動をすることになります.

この 同じかそれより近い という点と, 深度が完全に一致してしまう Coplanar Polygon の関係によって今回のような問題が起きています.

Voxel Mesh化手法についてメモ( Voxel Meshing )

Sat, 22 Aug 2020 18:05:15 +0900

SDFなどのVoxelからMeshを生成する手法のメモ。

もとのSDFのセルと、Mesh化で管理されるVoxelは一致しないので注意。

もとのSDFのセル中心を頂点とするようなVoxel上でMesh化が実行される。

Marching Cubes

Polygonising a scalar field (Marching Cubes)

Voxelの頂点のパターンからそのVoxelのポリゴンパターンをLookupしてMesh化する。

シャープな形状が作りにくいらしい。

Dual Contour

https://people.eecs.berkeley.edu/~jrs/meshpapers/SchaeferWarren2.pdf

あるVoxelを構成する辺について、SDFをの符号が異なる両端を持つ辺に注目し、辺を横切るような等値面の交差位置と法線をSDFの勾配等から計算する。

一つのVoxelについて境界面は複数存在する可能性があり、すべての境界面からの距離の自乗和が最小になるような一点をそのVoxel内の頂点として最小二乗法で推定する。

すべてのVoxelについて上記の点を計算し、隣接Cellで点同士をつなげてMeshを構成する。

シャープな形状を作ることができるらしい。

Voxel毎に最小二乗法を解く必要があるためコストが高い可能性。

また自己交差メッシュができてしまう可能性もある。

SurfaceNets

https://www.merl.com/publications/docs/TR99-24.pdf
Smooth Voxel Mapping: a Technical Deep Dive on Real-time Surface Nets and Texturing | by DreamCat Games | Aug, 2020 | Medium
NaiveSurfaceNets/NaiveSurfaceNets.cs at master · TomaszFoster/NaiveSurfaceNets · GitHub

Meshを構成するVoxel内の頂点を推定することはDual Contourと同様だが、複数ある辺と等値面の交差位置を平均した地点を頂点位置とするところが異なる。

元のはてなブログ記事

Mesh on ながむしメモ