Priprema i optimizacija modela za proširenu stvarnost

Granice uređaja

Optimizacija bez brojeva je nagađanje. Zato se prije svakog zahvata zapisuju granice uređaja na kojem aplikacija mora raditi. Za projekt AR-1 to je uređaj A: tablet zaslona 10,5 palca, s kamerom 1920 × 1080 pri 30 sličica u sekundi i 6 GB radne memorije.

Iz tih podataka slijede tri cilja prikaza. Prvi: najmanje 30 sličica u sekundi, jer ispod te vrijednosti sadržaj počinje zaostajati za pomicanjem tableta i prividno klizi po prostoru. Drugi: najviše 850 MB radne memorije, jer ostatak troše kamera, prepoznavanje prostora i sam operacijski sustav. Treći: pokretanje scene do 2,0 sekunde, jer dulje čekanje tehničar na poslu doživljava kao kvar.

Iz granica se izvodi proračun scene: koliko trokuta, koliko tekstura i koliko megabajta smije imati pojedini korak uputa. Za AR-1 je dogovoreno najviše 60 000 trokuta u vidnom polju istodobno, najviše osam tekstura 1024 × 1024 i najviše 12 MB po koraku. Proračun se dijeli među objektima prije nego što se ijedan model pripremi.

Proračun nije preporuka nego ograničenje. Ako jedan objekt traži više, netko drugi mora dobiti manje. Time optimizacija prestaje biti posao na kraju projekta i postaje dio odluke o tome što se uopće prikazuje.

Decimacija

Decimacija je smanjenje broja poligona uz zadržavanje prepoznatljivog oblika. Postupak radi tako da traži bridove čije bi uklanjanje najmanje promijenilo oblik, spaja njihove vrhove i ponavlja to dok se ne dosegne zadani broj. Ravne plohe gube trokute prve, a oštri bridovi i jaka zakrivljenja zadnji.

Na prihvatnici AR-1 decimacija vodi od 486 000 na 24 000 trokuta, dakle na oko pet posto polazne mreže. Gubitak oblika mjeri se najvećom udaljenošću između izvorne i smanjene mreže; dogovorena granica je 0,3 mm, što je znatno ispod onoga što korisnik s pola metra može vidjeti.

Postupak ima svoje zamke. Prejaka decimacija stvara vrlo tanke trokute koji pri pomicanju trepere. Decimacija bez zaštite rubova zaobljuje oštre bridove, pa dio izgleda kao izlizan. Decimacija preko granica dijelova može spojiti ono što treba ostati odvojeno, primjerice čeljust i tijelo.

Zato se prije decimacije uvijek najprije briše ono što se ne vidi. Unutarnji kanali, navoji, podloške i vijci u nevidljivim provrtima mogu nositi i polovicu svih trokuta. Brisanje takve geometrije ne mijenja izgled ni za piksel, a smanjuje posao decimaciji.

Razine detalja

Razine detalja (level of detail, LOD) su inačice istog modela s različitim brojem trokuta. Aplikacija bira inačicu prema udaljenosti objekta od kamere: bliski objekt dobiva punu razinu, udaljeni grubu. Time se troši onoliko trokuta koliko se doista vidi.

Razine se ne izrađuju napamet nego prema pravilu: svaka sljedeća ima oko polovicu do trećine trokuta prethodne, a prijelaz se postavlja ondje gdje razlika prestaje biti vidljiva. Na uređaju A to znači da se s udaljenosti veće od 1,5 m razlika između 12 000 i 4 000 trokuta ne može razaznati.

Prijelaz među razinama mora biti neprimjetan. Ako se model naglo zamijeni, korisnik vidi treptaj. Rješenja su dva: kratko preklapanje dviju razina ili postavljanje prijelaza izvan vidnog polja, na udaljenosti na kojoj objekt ionako nije u središtu pozornosti.

Razine detalja ne koriste se uvijek. Za objekt koji se gleda samo izbliza, poput vijka u četvrtom koraku uputa, dovoljna je jedna razina. Svaka dodatna razina je još jedna datoteka koju treba izraditi, održavati i učitati, pa se radi samo ondje gdje se raspon udaljenosti doista mijenja.

Pečenje tekstura i atlas

Pečenje (baking) je postupak u kojem se podatak s gustog modela prenosi u sliku koja se poslije nanosi na rijedak model. Najčešće se peku dvije stvari: sitni reljef, koji prelazi u sliku normala, i zasjenjenje udubina, koje prelazi u osnovnu boju. Rezultat je model s malo trokuta koji izgleda kao da ih ima mnogo.

Uz pečenje ide atlas tekstura: više malih slika spojenih u jednu veću. Razlog nije ušteda prostora nego brzina. Svaka promjena teksture pri iscrtavanju znači novi poziv grafičkoj kartici, a broj tih poziva je na mobilnom uređaju jednako važan kao broj trokuta. Šest objekata s jednim zajedničkim atlasom crta se u jednom pozivu umjesto u šest.

Stranica teksture bira se prema tome koliko se objekt približava korisniku. Za prihvatnicu koja se gleda s pola metra dovoljno je 1024 × 1024; polazna tekstura iz konstrukcijskog prikaza imala je 2048 × 2048, što je četiri puta više podataka bez vidljive dobiti. Stranica se uvijek bira kao potencija broja dva jer se tako pravilno izrađuju smanjene inačice slike.

Smanjene inačice (mipmap) izrađuju se unaprijed i uređaj bira onu koja odgovara udaljenosti. Bez njih udaljena tekstura treperi i zrnasta je. S njima zauzeće memorije raste za oko trećinu, ali je prikaz mirniji i brži, pa se gotovo uvijek koriste.

Sažimanje i izvoz

Posljednji korak je izvoz. Bira se format, način sažimanja i ono što se u datoteku uopće zapisuje. Pravilo je da se izvozi samo ono što aplikacija koristi: ako se ne koristi boja vrha, ne izvozi se; ako postoji samo jedan skup koordinata teksture, drugi se briše.

Sažimanje djeluje odvojeno na geometriju i na teksture. Geometrija se sažima zaokruživanjem koordinata na potrebnu točnost i pametnim zapisom redoslijeda vrhova; time se dobiva smanjenje od pet do deset puta uz gubitak koji se ne vidi. Teksture se zapisuju u obliku koji grafička kartica čita izravno, pa se ne moraju raspakirati pri učitavanju.

Izvoz se provjerava odmah nakon izrade, i to na uređaju, a ne na računalu. Provjeravaju se četiri stvari: učitava li se scena unutar zadanog vremena, drži li se brzina prikaza iznad 30 sličica u sekundi, ostaje li zauzeće memorije ispod granice i izgleda li model onako kako treba pri stvarnom osvjetljenju.

Prikaz spaja sve veličine iz jedinice u jedan proračun. Vidi se da broj trokuta najviše utječe na brzinu prikaza, a stranica teksture na zauzeće memorije. Veličina datoteke ovisi o oboma, ali najviše o tome je li sažimanje uključeno.

Mjerenje umjesto dojma

Optimizacija se ne prosuđuje na oko. Svaki zahvat mora se moći izmjeriti, jer se inače ne zna je li donio dobitak ili samo promjenu. Mjere se četiri veličine, i to uvijek na istom uređaju i u istim uvjetima: brzina prikaza, zauzeće memorije, vrijeme pokretanja i odstupanje oblika od izvornog modela.

Brzina prikaza mjeri se dok se tablet polako pomiče oko predmeta, a ne dok stoji na stolu. Tek u gibanju se vide troškovi koje mirna slika skriva: učitavanje razina detalja, promjene tekstura i ponovno prepoznavanje prostora. Bilježi se najmanja izmjerena vrijednost, a ne prosječna, jer korisnik primijeti upravo pad.

Zauzeće memorije čita se nakon nekoliko minuta rada, a ne odmah po pokretanju. Neki se resursi učitavaju tek kad na njih dođe red, pa scena koja na početku troši 500 MB nakon petoga koraka može biti na 800 MB. Mjeri se stoga najveća vrijednost tijekom cijelog prolaska kroz svih osam koraka uputa.

Odstupanje oblika mjeri se usporedbom sa zadržanim izvornikom. Rezultat je najveća udaljenost između dviju mreža, a na projektu AR-1 dopušteno je 0,3 mm. Bez te mjere lako se dogodi da se u trci za manjim brojem trokuta izgubi upravo ono obilježje po kojem tehničar razlikuje dvije slične prihvatnice.

Postupak od konstrukcije do uređaja

Sve što jedinica opisuje slaže se u jedan postupak koji se ponavlja za svaki model. Redoslijed nije proizvoljan: svaki korak olakšava sljedeći, a preskočeni korak poskupljuje sve iza sebe.

• Brisanje nevidljivog — unutarnji dijelovi, navoji, skriveni vijci.
• Tesselacija s razumnim odstupanjem — umjesto najfinije pa naknadnog smanjenja.
• Čišćenje mreže — dvostruki vrhovi, normale, izdvojeni dijelovi.
• Decimacija na ciljani broj trokuta uz mjerenje odstupanja od izvornika.
• UV razvijanje i pečenje — reljef i zasjenjenje prelaze u teksture.
• Izrada razina detalja ondje gdje se raspon udaljenosti mijenja.
• Izvoz sa sažimanjem u format koji razvojno okruženje čita izravno.
• Provjera na uređaju pri stvarnom osvjetljenju i s prave udaljenosti.

Na projektu AR-1 taj postupak daje brojke kojima modul i završava: od 486 000 na 24 000 pa na 12 000 trokuta, od tekstura 2048 × 2048 na 1024 × 1024 i od 41 MB preko 8,4 MB na 2,1 MB. Model je time spreman za scenu, a scena je predmet sljedećih modula.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.