Level of Detail (úroveň detailu)

Příklady z praxe

1. 01

   Les s tisíci stromy

   Otevřený svět má v dohledu 3 000 stromů. Plný model má 40 000 trojúhelníků, což by znamenalo 120 milionů trojúhelníků na snímek a nehratelnou snímkovou frekvenci. Se čtyřmi úrovněmi (40k / 8k / 1,5k / billboard) klesne zátěž řádově pod dva miliony, protože drtivá většina stromů je daleko. Rozdíl je na obrazovce nepostřehnutelný, dokud se hráč nerozhlíží dalekohledem.

2. 02

   Výběr úrovně podle velikosti na obrazovce

   Engine si pro každý objekt spočítá, jak velký je jeho obalový poloměr v pixelech, a podle prahů vybere index úrovně. Prahy se ladí empiricky: příliš agresivní hodnoty šetří výkon, ale způsobí viditelný popping u objektů, kolem kterých hráč prochází.

   function pickLod(radius, distance, fovY, screenHeightPx, thresholds) {
     // promítnutá velikost objektu v pixelech
     const projected = (radius / Math.max(distance, 0.001))
       * (screenHeightPx / (2 * Math.tan(fovY / 2)));
   
     for (let i = 0; i < thresholds.length; i++) {
       if (projected > thresholds[i]) return i; // 0 = nejvyšší detail
     }
     return thresholds.length; // mimo dosah, lze culling
   }
   
   // prahy v pixelech, seřazené sestupně
   pickLod(1.8, 120, Math.PI / 3, 1080, [300, 120, 40, 12]);

Časté omyly

MýtusLOD je jen pro hry, moderní GPU zvládne cokoli.

Ve skutečnostiLevel of Detail neřeší jen hrubý výkon, ale i propustnost paměti a efektivitu rasterizace. Trojúhelníky menší než pixel plýtvají výkonem na jakémkoli hardwaru, a v prohlížeči nebo na mobilu je rozdíl mezi zapnutým a vypnutým LOD často rozdíl mezi 60 a 15 snímky za sekundu.

MýtusStačí spustit automatickou decimaci a hotovo.

Ve skutečnostiAutomatické zjednodušení hlídá počet trojúhelníků, ne siluetu, normály ani UV švy. Hrubé úrovně proto obvykle potřebují ruční zásah, jinak se objeví praskliny v texturách, ztracené detaily obrysu nebo špatně nasvícené plochy.

MýtusKdyž zapnu LOD, zmizí propady výkonu.

Ve skutečnostiLevel of Detail snižuje počet zpracovaných vrcholů a fragmentů, ale nesnižuje počet draw callů ani změn stavu. Scéna brzděná režií na CPU nebo streamováním textur zůstane pomalá i s perfektně nastavenými úrovněmi.

Časté dotazy

Kolik úrovní detailu má model reálně mít?

Praxe se u herních assetů drží tří až pěti úrovní na model, kde každá další má zhruba polovinu až třetinu trojúhelníků té předchozí. Víc úrovní přináší klesající užitek a lineárně rostoucí náklady na paměť, build a údržbu. U malých objektů, které jsou skoro vždy daleko, často stačí LOD0 plus jedna hrubá varianta a pak úplné vypnutí vykreslování. U hrdinských objektů, ke kterým se kamera přiblíží na dotek, se naopak vyplatí jemnější odstupňování blízkých úrovní.

Jak se zbavit poppingu při přepnutí úrovně?

Popping se nejčastěji tlumí prolnutím obou úrovní přes několik snímků, buď skutečnou průhledností, nebo dithered maskou v kombinaci s temporal anti-aliasingem, což je levnější. Druhá cesta je posunout prahy tak, aby k přepnutí docházelo dál od kamery a na menší ploše obrazovky, kde je rozdíl neviditelný. Třetí, nejdůkladnější řešení je spojité nebo clusterované LOD, které mění geometrii po malých částech a nikdy nevymění celý model naráz.

Souvisí Level of Detail s mipmapami?

Level of Detail a mipmapy jsou stejný princip aplikovaný na jiná data. Mipmapy jsou předpočítané zmenšeniny textury a hardware si mezi nimi vybírá podle toho, jak rychle se mění UV souřadnice mezi sousedními pixely. Grafická API to označují přímo jako texture LOD a nabízejí i ruční posun úrovně (LOD bias). Rozdíl je v tom, že texturové LOD řídí GPU automaticky, zatímco geometrické úrovně vybírá engine kódem na CPU nebo v compute shaderu.

Potřebuje LOD i webová 3D aplikace nebo konfigurátor produktu?

Webová 3D scéna profituje z Level of Detail často víc než desktopová hra, protože běží na neznámém hardwaru včetně mobilů a musí navíc stáhnout data po síti. U konfigurátoru jednoho produktu, kde je na scéně jediný model a kamera kolem něj obíhá, bývá důležitější komprese geometrie a streamování než přepínání úrovní. Jakmile ale scéna obsahuje interiér, město nebo katalog desítek objektů, LOD se stává nutností.

Jak se LOD chová u stínů a odrazů?

Stínové mapy a odrazy je téměř vždy vhodné vykreslovat na nižší úrovni detailu než hlavní pohled, protože výsledek je rozmazaný a rozdíl v siluetě se ztratí. Řada enginů proto drží samostatný práh pro stínový průchod, typicky o jednu úroveň hrubší. Pozor jen na velmi ploché objekty a na dlouhé stíny při nízkém slunci, kde hrubá geometrie prosákne do obrazu jako viditelně hranatý obrys.

Zdroje

1. Level of detail (computer graphics)(otevře se v novém okně)Wikipedia
2. OpenGL Specification(otevře se v novém okně)Khronos Group
3. Mipmap(otevře se v novém okně)Wikipedia
4. WebGL Specification(otevře se v novém okně)Khronos Group
5. Decimate Modifier(otevře se v novém okně)Blender Foundation

Související pojmy

• CullingCulling je technika v grafickém programování, která před vykreslením vyřazuje objekty, plochy nebo fragmenty považované za neviditelné či nepodstatné pro aktuální záběr. Cílem je snížit počet výpočtů pro GPU, šetřit paměťovou propustnost a udržet stabilní snímkovou frekvenci bez změny viditelného výsledku.
• MipmapaMipmapa je předpočítaná řada postupně zmenšovaných kopií jedné textury, ve které má každá úroveň poloviční rozměry oproti předchozí. Grafická karta při vykreslování vybírá úroveň podle toho, jak hustě se texel promítá na pixel, čímž potlačuje aliasing na vzdálených plochách a zároveň zlepšuje využití texturové cache.
• Normálová mapaNormálová mapa je textura, která pro každý texel ukládá směr povrchové normály místo běžné barvy. Renderer podle těchto směrů upravuje výpočet osvětlení, takže plochá geometrie může působit jako členitý materiál v reálném čase. Skutečné vrcholy ani silueta modelu se tím obvykle nemění.
• RetopologieRetopologie je úprava nebo nové vytvoření polygonální sítě 3D modelu tak, aby měla čistší tok hran, méně zbytečných polygonů a lepší chování při animaci, texturování nebo renderování. Používá se hlavně po digitálním sculptingu, 3D skenu nebo automatickém generování geometrie pro hry a vizualizace.
• Polygonální síťPolygonální síť je datová reprezentace 3D povrchu složená z vrcholů, hran a plošek, nejčastěji trojúhelníků nebo čtyřúhelníků. V grafice určuje tvar modelu, umožňuje texturování, výpočet osvětlení a animaci, ale zároveň ovlivňuje paměť, výkon renderingu a kvalitu deformací. Používá se v herních enginech a DCC nástrojích.
• 3D model3D model je digitální reprezentace objektu nebo prostoru ve třech rozměrech, složená z geometrie, materiálů a často i textur, animací či fyzikálních vlastností. Používá se v hrách, filmech, průmyslovém návrhu, architektuře, e-commerce i simulacích, kde software z modelu počítá zobrazení nebo další data.
• ScénaScéna je v grafickém programování a 3D designu uspořádaný celek objektů, světel, kamer, materiálů a dalších dat, ze kterých renderer nebo herní engine vytváří výsledný obraz či interaktivní prostředí. Určuje prostorové vztahy, viditelnost, animace i vazby mezi prvky. Dobře navržená scéna odděluje obsah od způsobu vykreslení a usnadňuje úpravy, optimalizaci i sdílení dat mezi nástroji.
• Vykreslovací pipelineVykreslovací pipeline je posloupnost pevně daných kroků, kterými grafická karta promění popis 3D scény (vrcholy, transformace, materiály) na barvy jednotlivých pixelů ve výsledném obrazu. Zahrnuje zpracování vrcholů, sestavení primitiv, ořez, rasterizaci, výpočet barvy fragmentů a zápis do framebufferu. Programovatelné části pipeline řídí shadery, zbytek obstarává pevná logika hardwaru.