Question

我正在尝试在10x10x10网格中对覆盆子pi（型号2B）上的3D 3D阵列进行建模。我只是想让它们根据模式生成算法打开和关闭。

我已经在pi3d中编写了一些基本代码来模拟1000个球体，并保存在一个数组中。它循环通过阵列，并通过将球体的颜色更改为蓝色或黑色来打开或关闭每个LED。

代码的核心部分如下：

spheres = [[[pi3d.Sphere(x=x-5,y=y-5,z=z-5,radius=0.1) for x in range(dim)] for y in range(dim)] for z in range(dim)]
i = 0

while DISPLAY.loop_running():
    k = mykeys.read()
    if k == 27:
        mykeys.close()
        ISPLAY.destroy()
        break

    CAM.update(mymouse)
    for x in range (dim):
        for y in range(dim):
            for z in range(dim):
                colour=0.1
                if(((x-dim/2.0) * (x-dim/2.0)) + ((y-dim/2.0) * (y-dim/2.0)) + ((z-dim/2.0) * (z-dim/2.0)) <= i * dim):
                    colour = 1.0
                spheres[x][y][z].set_material((0.0,0.0,colour))
                spheres[x][y][z].draw()
    i=i+0.1
    if i > 4:
        i=0

这很好用，但给了我大约5 fps。将球体更改为立方体可以略微改善这一点，但至少我真的想要提高一个数量级的性能。我知道我可以在数学方面取得一些效率提升，但我经历了类似的性能随机打开和关闭，所以我暂时不关注它。

我可能认为这只是要求太多的覆盆子pi，但随后玩了与它捆绑在一起的Minecraft游戏，并发现它在渲染过程中具有更大的复杂性。

我想知道是否有其他方法，或者甚至是另一种语言，我可以用它来给我那种我正在寻找的表现。

我对3D编程知之甚少，所以任何人都可以指出的任何建议或教程都可能有用。

Answer 1

在您执行任何操作之前，请对代码进行分析，以查看其运行缓慢的位置。值得注意的是，pi3D不一定能像Minecraft的调整3D引擎那样快速运行。

一个球体需要很多多边形来绘制光滑的边缘。即使保守估计每个球体只有32个多边形，你的总多边形数量也会变为：

10 * 10 * 10 * 32 = 32000

一个简单的优化是用立方体替换球体：

10 * 10 * 10 * 6 = 6000

如果想要球体的外观，可以通过渲染面向相机（也就是：广告牌）的1个多边形平面来进一步减少多边形数量，并使用球体纹理。

10 * 10 * 10 * 1 = 1000

尝试乘法而不是分割10 / 2与10 * 0.5相同，并且不要做同样的工作两次：

x_dim = x - dim * 0.5
y_dim = y - dim * 0.5
z_dim = z - dim * 0.5

if((x_dim * x_dim) + (y_dim * y_dim) + (z_dim * z_dim) <= i * dim):

最后，尝试只在整个场景上调用draw()一次，而不是在每个球体上调用。

Answer 2

问题是有一个python代码为每个pi3d.Shape一次做一个矩阵乘法。虽然这是使用numpy完成的，并且尽可能快，但它仍然很慢。

您可以将所有球体制作成一个pi3d.MergeShape，然后每帧只需要一次绘制（）并且速度非常快......但是

你的球体对象使用12边x 12个切片的默认值，给出288个面和864个顶点，这样你的MergeShape将有864,000个顶点，这可能会使GPU慢下来。
捆绑着色器只对整个Shape使用一个材质RGB值，您想为每个需要黑客着色器的球体指定不同的颜色（如果您习惯于黑客着色器，则很容易做到））您在缓冲区数组的纹理坐标字段中指定RGB值。

你的代码没有显示你正在使用的着色器，默认将是mat_light，这将为每个球体提供平滑的3D效果，但如果你可以使用点进行管理（参见演示SpriteBalls）那么你可能有数千个快速运行的球体...但您仍需要修改着色器以改变每个顶点的漫反射颜色。

或者你可以制作半蓝色，半黑色的纹理，并调整每帧各种球体的纹理坐标。假设你已经将所有球体合并为一个形状，这将非常快（虽然将涉及一个笨拙的numpy公式来重现你的x，y，z嵌套循环的效果）

在接下来的几天里，我将尝试设计演示如何执行这些选项并将其添加到https://github.com/pi3d/pi3d_demos

编辑我刚才记得Starfield.py演示版使用了可变颜色＆＃39;广告牌＆＃39;点。这可以在每帧渲染数千点，但它有各种复杂功能，模糊了相对简单的结构，正如我上面提到的，我将制作一个更简单的版本来演示你的10x10x10阵列，使用欧几里德距离中心的颜色变化。

2nd EDIT这是使用pi3d_demos/shaders/star_point

import pi3d
import numpy as np

DIM = 10
half_d = DIM/2.0
arr_len = DIM ** 3

disp = pi3d.Display.create()
shader = pi3d.Shader('shaders/star_point')
cam = pi3d.Camera()
spheres = pi3d.Points(camera=cam, point_size=400.0, z=15.0,
          vertices=[[x - half_d, y - half_d, z - half_d] for x in range(DIM) for y in range(DIM) for z in range(DIM)],
          normals=np.zeros((arr_len, 3)), tex_coords=np.full((arr_len, 2), 1.0))
spheres.set_shader(shader)
arr_buf = spheres.buf[0].array_buffer # shortcut to numpy array shape (1000,8) [[vx,vy,vz,nx,ny,nz,u,v]]
# the star_point shader uses nx,ny,nz as RGB values, only the B value is being
# changed here i.e. arr_buff[:,5]
i = 0
while disp.loop_running():
  spheres.draw()
  ix = np.where(np.sum((arr_buf[:,:3] - [half_d, half_d, half_d]) ** 2, axis=1) <= i * DIM)[0]
  arr_buf[:,5] = 0.1 # set all to midnight blue first
  arr_buf[ix,5] = 1.0 # set ones within (i * DIM) ** 0.5 to blue
  spheres.re_init() # have to update buffer
  i += 0.1
  if i > 4.0:
    i = 0.0

这是一个使用MergeShape的版本，然后调整uv坐标

import pi3d
import numpy as np

DIM = 10
half_d = DIM/2.0
arr_len = DIM ** 3

disp = pi3d.Display.create()
shader = pi3d.Shader('uv_light')
cam = pi3d.Camera()
tex_array = np.zeros((16,16,3), dtype=np.uint8)
tex_array[:8,:8] = [0, 0, 25] # top left midnight blue
tex_array[8:, 8:] = [0, 0, 255] # bottom right bright blue
tex = pi3d.Texture(tex_array, mipmap=False)
spheres = pi3d.MergeShape(camera=cam, z=15.0)
spheres.merge([[pi3d.Sphere(radius=0.1, sides=6, slices=6), x - half_d, y - half_d, z - half_d, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 1.0, 1.0] 
                                      for x in range(DIM) for y in range(DIM) for z in range(DIM)])
spheres.set_draw_details(shader, [tex])
arr_buf = spheres.buf[0].array_buffer # shortcut to numpy array shape (1000,8) [[vx,vy,vz,nx,ny,nz,u,v]]
arr_buf[:,6:8] *= 0.5 # scale uv to just use top left part of texture
base_tex_c = arr_buf[:,6:8].copy()
i = 0
while disp.loop_running():
  spheres.draw()
  ix = np.where(np.sum((arr_buf[:,:3] - [half_d, half_d, half_d]) ** 2, axis=1) <= i * DIM)[0]
  arr_buf[:,6:8] = base_tex_c # set uv to base (top left)
  arr_buf[ix,6:8] += 0.5 # set index ix to bottome right
  spheres.re_init() # have to update buffer
  i += 0.1
  if i > 4.0:
    i = 0.0

我发现使用默认的Sphere，数组缓冲区的大小变得太大，因此将其减少到6x6版本。希望这可以在某个阶段帮助某人。

Answer 3

一个非常好的开始是将所有这些代码放入一个函数中，然后调用该函数。就像现在一样，你正在使用的所有内容都被放入全局命名空间，这无疑是slow。

然后，取出当前在循环内的所有内容，不需要在循环之外。例如，您可以在绘制球体之前尝试着色/纹理化球体，或者至少在循环之外进行颜色计算（如果可能的话）。

如果您想更改语言，请尝试使用cython，它会将此代码编译为C，同时保留所有库调用等。

树莓派上的高效3d

3 个答案: