Como calcular um 3D Morton (número de intercalar os bits de 3 ints)
https://stackoverflow.com/questions/1024754
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06-07-2019 - |
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Eu estou procurando uma forma rápida de calcular um 3D Morton número. Este site tem uma magia baseada no número de truque para fazê-lo para 2D Morton números, mas não parece claro como estendê-lo para o 3D.
Então, basicamente, eu tenho 3 10-bit os números que eu quiser intercalar em um único 30 número de bits com um número mínimo de operações.
Solução
Você pode usar a mesma técnica.Eu estou supondo que as variáveis contêm números inteiros de 32 bits, com alto 22 conjunto de bits de 0 (que é um pouco mais restritiva do que o necessário).Para cada variável x contendo uma das três de 10 bits inteiros fazemos o seguinte:
x = (x | (x << 16)) & 0x030000FF;
x = (x | (x << 8)) & 0x0300F00F;
x = (x | (x << 4)) & 0x030C30C3;
x = (x | (x << 2)) & 0x09249249;
Em seguida, com o x,y e z os três manipulados de 10 bits inteiros, podemos obter o resultado tomando-se:
x | (y << 1) | (z << 2)
A forma como esta técnica funciona é o seguinte.Cada um dos x = ... linhas acima, "divide" grupos de bits no meio de tal forma que haja espaço suficiente entre para os bits de outros inteiros.Por exemplo, se considerarmos três de 4 bits, números inteiros, podemos dividir um com bits 1234 em 000012000034 onde os zeros são reservados para os outros inteiros.No próximo passo, nós split 12 e 34 da mesma forma para obter 001002003004.Apesar de 10 bits não faz um bom repetido divisão em dois grupos, você pode considerar apenas 16 bits de onde você perde mais altas no final.
Como você pode ver na primeira linha, você realmente só precisa de que para cada entrada inteiro x ele defende que os x & 0x03000000 == 0.
Outras dicas
Aqui está minha solução com um script python:
Eu tirei a dica do comentário dele: Fabian "Ryg" Giesen
Leia o longo comentário abaixo! Precisamos acompanhar quais bits precisam ir até onde!
Em cada etapa, selecionamos esses bits e os movemos e apliquem uma máscara de bits (veja o comentário Last Lines) para mascará -los!
Bit Distances: [0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18]
Bit Distances (binary): ['0', '10', '100', '110', '1000', '1010', '1100', '1110', '10000', '10010']
Shifting bits by 1 for bits idx: []
Shifting bits by 2 for bits idx: [1, 3, 5, 7, 9]
Shifting bits by 4 for bits idx: [2, 3, 6, 7]
Shifting bits by 8 for bits idx: [4, 5, 6, 7]
Shifting bits by 16 for bits idx: [8, 9]
BitPositions: [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
Shifted bef.: 0000 0000 0000 0000 0000 0011 0000 0000 hex: 0x300
Shifted: 0000 0011 0000 0000 0000 0000 0000 0000 hex: 0x3000000
NonShifted: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 hex: 0xff
Bitmask is now: 0000 0011 0000 0000 0000 0000 1111 1111 hex: 0x30000ff
Shifted bef.: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 0000 hex: 0xf0
Shifted: 0000 0000 0000 0000 1111 0000 0000 0000 hex: 0xf000
NonShifted: 0000 0011 0000 0000 0000 0000 0000 1111 hex: 0x300000f
Bitmask is now: 0000 0011 0000 0000 1111 0000 0000 1111 hex: 0x300f00f
Shifted bef.: 0000 0000 0000 0000 1100 0000 0000 1100 hex: 0xc00c
Shifted: 0000 0000 0000 1100 0000 0000 1100 0000 hex: 0xc00c0
NonShifted: 0000 0011 0000 0000 0011 0000 0000 0011 hex: 0x3003003
Bitmask is now: 0000 0011 0000 1100 0011 0000 1100 0011 hex: 0x30c30c3
Shifted bef.: 0000 0010 0000 1000 0010 0000 1000 0010 hex: 0x2082082
Shifted: 0000 1000 0010 0000 1000 0010 0000 1000 hex: 0x8208208
NonShifted: 0000 0001 0000 0100 0001 0000 0100 0001 hex: 0x1041041
Bitmask is now: 0000 1001 0010 0100 1001 0010 0100 1001 hex: 0x9249249
x &= 0x3ff
x = (x | x << 16) & 0x30000ff <<< THIS IS THE MASK for shifting 16 (for bit 8 and 9)
x = (x | x << 8) & 0x300f00f
x = (x | x << 4) & 0x30c30c3
x = (x | x << 2) & 0x9249249
Portanto, para um número de 10 bits e 2 bits de intercalação (por 32 bits), você precisa fazer o seguinte!:
x &= 0x3ff
x = (x | x << 16) & 0x30000ff #<<< THIS IS THE MASK for shifting 16 (for bit 8 and 9)
x = (x | x << 8) & 0x300f00f
x = (x | x << 4) & 0x30c30c3
x = (x | x << 2) & 0x9249249
E para um número de 21 bits e 2 bits de intercalação (para 64 bits), você precisa fazer o seguinte!:
x &= 0x1fffff
x = (x | x << 32) & 0x1f00000000ffff
x = (x | x << 16) & 0x1f0000ff0000ff
x = (x | x << 8) & 0x100f00f00f00f00f
x = (x | x << 4) & 0x10c30c30c30c30c3
x = (x | x << 2) & 0x1249249249249249
E para um número de 42 bits e 2 bits de intercalação (para 128 bits), você precisa fazer o seguinte (caso precise ;-)):
x &= 0x3ffffffffff
x = (x | x << 64) & 0x3ff0000000000000000ffffffffL
x = (x | x << 32) & 0x3ff00000000ffff00000000ffffL
x = (x | x << 16) & 0x30000ff0000ff0000ff0000ff0000ffL
x = (x | x << 8) & 0x300f00f00f00f00f00f00f00f00f00fL
x = (x | x << 4) & 0x30c30c30c30c30c30c30c30c30c30c3L
x = (x | x << 2) & 0x9249249249249249249249249249249L
Script Python para produzir e verificar os padrões de intercalação !!!
def prettyBinString(x,d=32,steps=4,sep=".",emptyChar="0"):
b = bin(x)[2:]
zeros = d - len(b)
if zeros <= 0:
zeros = 0
k = steps - (len(b) % steps)
else:
k = steps - (d % steps)
s = ""
#print("zeros" , zeros)
#print("k" , k)
for i in range(zeros):
#print("k:",k)
if(k%steps==0 and i!= 0):
s+=sep
s += emptyChar
k+=1
for i in range(len(b)):
if( (k%steps==0 and i!=0 and zeros == 0) or (k%steps==0 and zeros != 0) ):
s+=sep
s += b[i]
k+=1
return s
def binStr(x): return prettyBinString(x,32,4," ","0")
def computeBitMaskPatternAndCode(numberOfBits, numberOfEmptyBits):
bitDistances=[ i*numberOfEmptyBits for i in range(numberOfBits) ]
print("Bit Distances: " + str(bitDistances))
bitDistancesB = [bin(dist)[2:] for dist in bitDistances]
print("Bit Distances (binary): " + str(bitDistancesB))
moveBits=[] #Liste mit allen Bits welche aufsteigend um 2, 4,8,16,32,64,128 stellen geschoben werden müssen
maxLength = len(max(bitDistancesB, key=len))
abort = False
for i in range(maxLength):
moveBits.append([])
for idx,bits in enumerate(bitDistancesB):
if not len(bits) - 1 < i:
if(bits[len(bits)-i-1] == "1"):
moveBits[i].append(idx)
for i in range(len(moveBits)):
print("Shifting bits by " + str(2**i) + "\t for bits idx: " + str(moveBits[i]))
bitPositions = range(numberOfBits);
print("BitPositions: " + str(bitPositions))
maskOld = (1 << numberOfBits) -1
codeString = "x &= " + hex(maskOld) + "\n"
for idx in xrange(len(moveBits)-1, -1, -1):
if len(moveBits[idx]):
shifted = 0
for bitIdxToMove in moveBits[idx]:
shifted |= 1<<bitPositions[bitIdxToMove];
bitPositions[bitIdxToMove] += 2**idx; # keep track where the actual bit stands! might get moved several times
# Get the non shifted part!
nonshifted = ~shifted & maskOld
print("Shifted bef.:\t" + binStr(shifted) + " hex: " + hex(shifted))
shifted = shifted << 2**idx
print("Shifted:\t" + binStr(shifted)+ " hex: " + hex(shifted))
print("NonShifted:\t" + binStr(nonshifted) + " hex: " + hex(nonshifted))
maskNew = shifted | nonshifted
print("Bitmask is now:\t" + binStr(maskNew) + " hex: " + hex(maskNew) +"\n")
#print("Code: " + "x = x | x << " +str(2**idx)+ " & " +hex(maskNew))
codeString += "x = (x | x << " +str(2**idx)+ ") & " +hex(maskNew) + "\n"
maskOld = maskNew
return codeString
numberOfBits = 10;
numberOfEmptyBits = 2;
codeString = computeBitMaskPatternAndCode(numberOfBits,numberOfEmptyBits);
print(codeString)
def partitionBy2(x):
exec(codeString)
return x
def checkPartition(x):
print("Check partition for: \t" + binStr(x))
part = partitionBy2(x);
print("Partition is : \t\t" + binStr(part))
#make the pattern manualy
partC = long(0);
for bitIdx in range(numberOfBits):
partC = partC | (x & (1<<bitIdx)) << numberOfEmptyBits*bitIdx
print("Partition check is :\t" + binStr(partC))
if(partC == part):
return True
else:
return False
checkError = False
for i in range(20):
x = random.getrandbits(numberOfBits);
if(checkPartition(x) == False):
checkError = True
break
if not checkError:
print("CHECK PARTITION SUCCESSFUL!!!!!!!!!!!!!!!!...")
else:
print("checkPartition has ERROR!!!!")
Vou adicionar o código de decodificação também em um tempo!
O mais simples é provavelmente uma tabela de pesquisa, se você tem espaço livre em 4K:
static uint32_t t [ 1024 ] = { 0, 0x1, 0x8, ... };
uint32_t m ( int a, int b, int c )
{
return t[a] | ( t[b] << 1 ) | ( t[c] << 2 );
}
O bit hack usa turnos e máscaras para espalhar os bits; portanto, cada vez que ele muda o valor e o ORS, copiando alguns dos bits em espaços vazios e, em seguida, mascarando as combinações para que apenas os bits originais permaneçam.
por exemplo:
x = 0xabcd;
= 0000_0000_0000_0000_1010_1011_1100_1101
x = (x | (x << S[3])) & B[3];
= ( 0x00abcd00 | 0x0000abcd ) & 0xff00ff
= 0x00ab__cd & 0xff00ff
= 0x00ab00cd
= 0000_0000_1010_1011_0000_0000_1100_1101
x = (x | (x << S[2])) & B[2];
= ( 0x0ab00cd0 | 0x00ab00cd) & 0x0f0f0f0f
= 0x0a_b_c_d & 0x0f0f0f0f
= 0x0a0b0c0d
= 0000_1010_0000_1011_0000_1100_0000_1101
x = (x | (x << S[1])) & B[1];
= ( 0000_1010_0000_1011_0000_1100_0000_1101 |
0010_1000_0010_1100_0011_0000_0011_0100 ) &
0011_0011_0011_0011_0011_0011_0011_0011
= 0010_0010_0010_0011_0011_0000_0011_0001
x = (x | (x << S[0])) & B[0];
= ( 0010_0010_0010_0011_0011_0000_0011_0001 |
0100_0100_0100_0110_0110_0000_0110_0010 ) &
0101_0101_0101_0101_0101_0101_0101_0101
= 0100_0010_0100_0101_0101_0000_0101_0001
Em cada iteração, cada bloco é dividido em dois, o bit mais à direita da metade mais à esquerda do bloco movido para sua posição final, e uma máscara aplicada para que apenas os bits necessários permaneçam.
Depois de espaçar as entradas, mudando -as para que os valores de um caia nos zeros do outro.
Para estender essa técnica para mais de dois bits entre os valores no resultado final, você deve aumentar as mudanças entre onde os bits acabam. Fica um pouco mais complicado, pois o tamanho do bloco de partida não é uma potência de 2, para que você possa dividi -lo no meio ou em uma potência de 2 limites.
Portanto, uma evolução como essa pode funcionar:
0000_0000_0000_0000_0000_0011_1111_1111
0000_0011_0000_0000_0000_0000_1111_1111
0000_0011_0000_0000_1111_0000_0000_1111
0000_0011_0000_1100_0011_0000_1100_0011
0000_1001_0010_0100_1001_0010_0100_1001
// 0000_0000_0000_0000_0000_0011_1111_1111
x = ( x | ( x << 16 ) ) & 0x030000ff;
// 0000_0011_0000_0000_0000_0000_1111_1111
x = ( x | ( x << 8 ) ) & 0x0300f00f;
// 0000_0011_0000_0000_1111_0000_0000_1111
x = ( x | ( x << 4 ) ) & 0x030c30c3;
// 0000_0011_0000_1100_0011_0000_1100_0011
x = ( x | ( x << 2 ) ) & 0x09249249;
// 0000_1001_0010_0100_1001_0010_0100_1001
Realize a mesma transformação nas entradas, mude uma por uma e outra por duas, ou elas juntas e terminará.
Bom momento, eu fiz isso no mês passado!
A chave era fazer duas funções. Um deles espalha pedaços para todos os terços. Em seguida, podemos combinar três deles (com uma mudança para os dois últimos) para obter o valor final intercalado de Morton.
Esse código se interessa a iniciar os bits altos (que são mais lógicos para valores de ponto fixo.) Se o seu aplicativo for apenas 10 bits por componente, basta mudar cada valor deixado por 22 para fazê -lo começar nos bits altos.
/* Takes a value and "spreads" the HIGH bits to lower slots to seperate them.
ie, bit 31 stays at bit 31, bit 30 goes to bit 28, bit 29 goes to bit 25, etc.
Anything below bit 21 just disappears. Useful for interleaving values
for Morton codes. */
inline unsigned long spread3(unsigned long x)
{
x=(0xF0000000&x) | ((0x0F000000&x)>>8) | (x>>16); // spread top 3 nibbles
x=(0xC00C00C0&x) | ((0x30030030&x)>>4);
x=(0x82082082&x) | ((0x41041041&x)>>2);
return x;
}
inline unsigned long morton(unsigned long x, unsigned long y, unsigned long z)
{
return spread3(x) | (spread3(y)>>1) | (spread3(z)>>2);
}
O código a seguir encontra o número de Morton dos três números de entrada de 10 bits. Ele usa o IDEE do seu link e executa a bits nas etapas 5-5, 3-2-3-2, 2-1-1-1-1-1-1-1-1 e 1-1-1-- 1-1-1-1-1-1-1 porque 10 não é um poder de dois.
......................9876543210
............98765..........43210
........987....56......432....10
......98..7..5..6....43..2..1..0
....9..8..7..5..6..4..3..2..1..0
Acima, você pode ver a localização de todos os bits antes do primeiro e após cada uma das quatro etapas.
public static Int32 GetMortonNumber(Int32 x, Int32 y, Int32 z)
{
return SpreadBits(x, 0) | SpreadBits(y, 1) | SpreadBits(z, 2);
}
public static Int32 SpreadBits(Int32 x, Int32 offset)
{
if ((x < 0) || (x > 1023))
{
throw new ArgumentOutOfRangeException();
}
if ((offset < 0) || (offset > 2))
{
throw new ArgumentOutOfRangeException();
}
x = (x | (x << 10)) & 0x000F801F;
x = (x | (x << 4)) & 0x00E181C3;
x = (x | (x << 2)) & 0x03248649;
x = (x | (x << 2)) & 0x09249249;
return x << offset;
}
Peguei o acima e o modifiquei para combinar 3 números de 16 bits em um número de bits de 48 (realmente 64-). Talvez isso salve a alguém o pequeno pensamento para chegar lá.
#include <inttypes.h>
#include <assert.h>
uint64_t zorder3d(uint64_t x, uint64_t y, uint64_t z){
static const uint64_t B[] = {0x00000000FF0000FF, 0x000000F00F00F00F,
0x00000C30C30C30C3, 0X0000249249249249};
static const int S[] = {16, 8, 4, 2};
static const uint64_t MAXINPUT = 65536;
assert( ( (x < MAXINPUT) ) &&
( (y < MAXINPUT) ) &&
( (z < MAXINPUT) )
);
x = (x | (x << S[0])) & B[0];
x = (x | (x << S[1])) & B[1];
x = (x | (x << S[2])) & B[2];
x = (x | (x << S[3])) & B[3];
y = (y | (y << S[0])) & B[0];
y = (y | (y << S[1])) & B[1];
y = (y | (y << S[2])) & B[2];
y = (y | (y << S[3])) & B[3];
z = (z | (z << S[0])) & B[0];
z = (z | (z << S[1])) & B[1];
z = (z | (z << S[2])) & B[2];
z = (z | (z << S[3])) & B[3];
return ( x | (y << 1) | (z << 2) );
}
A seguir, o snippet de código para gerar a chave Morton do tamanho 64 bits para o ponto 3D.
using namespace std;
unsigned long long spreadBits(unsigned long long x)
{
x=(x|(x<<20))&0x000001FFC00003FF;
x=(x|(x<<10))&0x0007E007C00F801F;
x=(x|(x<<4))&0x00786070C0E181C3;
x=(x|(x<<2))&0x0199219243248649;
x=(x|(x<<2))&0x0649249249249249;
x=(x|(x<<2))&0x1249249249249249;
return x;
}
int main()
{
unsigned long long x,y,z,con=1;
con=con<<63;
printf("%#llx\n",(spreadBits(x)|(spreadBits(y)<<1)|(spreadBits(z)<<2))|con);
}
Eu tive um problema semelhante hoje, mas em vez de três números, tenho que combinar um número arbitrário de número de qualquer comprimento de bit. Empreguei meu próprio algoritmo de espalhamento e mascaramento de bits e o apliquei a C# bigintegers. Aqui está o código que escrevi. Como uma etapa de compilação, ele descobre os números mágicos e a máscara para o número fornecido de dimensões e profundidade de bits. Então você pode reutilizar o objeto para várias conversões.
/// <summary>
/// Convert an array of integers into a Morton code by interleaving the bits.
/// Create one Morton object for a given pair of Dimension and BitDepth and reuse if when encoding multiple
/// Morton numbers.
/// </summary>
public class Morton
{
/// <summary>
/// Number of bits to use to represent each number being interleaved.
/// </summary>
public int BitDepth { get; private set; }
/// <summary>
/// Count of separate numbers to interleave into a Morton number.
/// </summary>
public int Dimensions { get; private set; }
/// <summary>
/// The MagicNumbers spread the bits out to the right position.
/// Each must must be applied and masked, because the bits would overlap if we only used one magic number.
/// </summary>
public BigInteger LargeMagicNumber { get; private set; }
public BigInteger SmallMagicNumber { get; private set; }
/// <summary>
/// The mask removes extraneous bits that were spread into positions needed by the other dimensions.
/// </summary>
public BigInteger Mask { get; private set; }
public Morton(int dimensions, int bitDepth)
{
BitDepth = bitDepth;
Dimensions = dimensions;
BigInteger magicNumberUnit = new BigInteger(1UL << (int)(Dimensions - 1));
LargeMagicNumber = magicNumberUnit;
BigInteger maskUnit = new BigInteger(1UL << (int)(Dimensions - 1));
Mask = maskUnit;
for (var i = 0; i < bitDepth - 1; i++)
{
LargeMagicNumber = (LargeMagicNumber << (Dimensions - 1)) | (i % 2 == 1 ? magicNumberUnit : BigInteger.Zero);
Mask = (Mask << Dimensions) | maskUnit;
}
SmallMagicNumber = (LargeMagicNumber >> BitDepth) << 1; // Need to trim off pesky ones place bit.
}
/// <summary>
/// Interleave the bits from several integers into a single BigInteger.
/// The high-order bit from the first number becomes the high-order bit of the Morton number.
/// The high-order bit of the second number becomes the second highest-ordered bit in the Morton number.
///
/// How it works.
///
/// When you multupliy by the magic numbers you make multiple copies of the the number they are multplying,
/// each shifted by a different amount.
/// As it turns out, the high order bit of the highest order copy of a number is N bits to the left of the
/// second bit of the second copy, and so forth.
/// This is because each copy is shifted one bit less than N times the copy number.
/// After that, you apply the AND-mask to unset all bits that are not in position.
///
/// Two magic numbers are needed because since each copy is shifted one less than the bitDepth, consecutive
/// copies would overlap and ruin the algorithm. Thus one magic number (LargeMagicNumber) handles copies 1, 3, 5, etc, while the
/// second (SmallMagicNumber) handles copies 2, 4, 6, etc.
/// </summary>
/// <param name="vector">Integers to combine.</param>
/// <returns>A Morton number composed of Dimensions * BitDepth bits.</returns>
public BigInteger Interleave(int[] vector)
{
if (vector == null || vector.Length != Dimensions)
throw new ArgumentException("Interleave expects an array of length " + Dimensions, "vector");
var morton = BigInteger.Zero;
for (var i = 0; i < Dimensions; i++)
{
morton |= (((LargeMagicNumber * vector[i]) & Mask) | ((SmallMagicNumber * vector[i]) & Mask)) >> i;
}
return morton;
}
public override string ToString()
{
return "Morton(Dimension: " + Dimensions + ", BitDepth: " + BitDepth
+ ", MagicNumbers: " + Convert.ToString((long)LargeMagicNumber, 2) + ", " + Convert.ToString((long)SmallMagicNumber, 2)
+ ", Mask: " + Convert.ToString((long)Mask, 2) + ")";
}
}
Aqui está um gerador que fiz no Ruby para produzir métodos de codificação de comprimento arbitrário:
def morton_code_for(bits)
method = ''
limit_mask = (1 << (bits * 3)) - 1
split = (2 ** ((Math.log(bits) / Math.log(2)).to_i + 1)).to_i
level = 1
puts "// Coding for 3 #{bits}-bit values"
loop do
shift = split
split /= 2
level *= 2
mask = ([ '1' * split ] * level).join('0' * split * 2).to_i(2) & limit_mask
expression = "v = (v | (v << %2d)) & 0x%016x;" % [ shift, mask ]
method << expression
puts "%s // 0b%064b" % [ expression, mask ]
break if (split <= 1)
end
puts
print "// Test of method results: "
v = (1 << bits) - 1
puts eval(method).to_s(2)
end
morton_code_for(21)
A saída é adequadamente genérica e pode ser adaptada conforme necessário. Saída de amostra:
// Coding for 3 21-bit values
v = (v | (v << 32)) & 0x7fff00000000ffff; // 0b0111111111111111000000000000000000000000000000001111111111111111
v = (v | (v << 16)) & 0x00ff0000ff0000ff; // 0b0000000011111111000000000000000011111111000000000000000011111111
v = (v | (v << 8)) & 0x700f00f00f00f00f; // 0b0111000000001111000000001111000000001111000000001111000000001111
v = (v | (v << 4)) & 0x30c30c30c30c30c3; // 0b0011000011000011000011000011000011000011000011000011000011000011
v = (v | (v << 2)) & 0x1249249249249249; // 0b0001001001001001001001001001001001001001001001001001001001001001
// Test of method results: 1001001001001001001001001001001001001001001001001001001001001
