Pipeline di rendering. Pipeline di rendering. Outline. Grafica off-line vs Grafica real-time

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1 Pipeline di rendering Davide Gadia Corso di Programmazione Grafica per il Tempo Reale Laurea Magistrale in Informatica per la Comunicazione a.a. 2013/2014 Outline Grafica off-line vs Grafica real-time Pipeline di rendering Velocità di rendering e bottleneck GPU e pipeline di rendering GPU-based

2 Grafica off-line Rendering fotorealistico Simulazione avanzata di interazione luce-materia Ray tracing, Photon mapping, subsurface scattering,... Lunghi tempi di rendering Rendering statici Animazione cinematografica Grafica real-time Applicazioni interattive Rendering deve essere ricalcolato MOLTE volte per secondo Almeno 30 fps (frame per second) = secondi per frame Fluidità effetto finale Ottimizzazione qualità rendering/tempo di calcolo

3 Videogames Far Cry 3 Modellazione 3D/CAD Call of Duty: Black Ops II

4 Visualizzazione Scientifica Realtà Virtuale

5 Pipeline di rendering Camera virtuale Scena 3D Sorgenti di luce Textures.. Equazioni di shading Immagine 2D Pipeline di rendering: fasi concettuali

6 Pipeline di rendering: fasi concettuali Ogni fase può essere a sua volta una pipeline Una fase può essere parallelizzata (anche in parte) Pipeline di rendering: fasi concettuali Fase concettuale comprende diverse fasi funzionali Fasi funzionali possono essere sviluppate in fasi di pipeline In maniera diversa Diverse architetture Soluzioni diverse SW/HW.

7 Pipeline di rendering: Application stage Diversi tipi di task Eseguiti in parallelo dai diversi core della CPU Lo sviluppatore ha pieno controllo di questa fase Esempi: Caricamento modelli Collision detection Tecniche di accelerazione Calcolo parametri animazione procedurale Gestione I/O Task più importante: Invio delle primitive di rendering a hardware grafico Pipeline di rendering: Geometry stage Responsabile della maggior parte delle operazioni su poligoni e vertici per-polygon per-vertex Suddivisa in fasi funzionali:

8 Geometry stage: Model and View Transform Trasformazioni di modello Da coordinate locali a coordinate mondo Trasformazioni di vista Camera virtuale ha posizione e orientamento Trasformazione di vista posiziona camera nell'origine, orientata lungo l'asse z Agevola operazioni di proiezione e clipping Da coordinate mondo a coordinate camera Geometry stage: Vertex shading Calcolo dell'apparenza superficiale degli oggetti Interazione luce-materiale Diversi livelli di simulazione Shading equation Es: Phong Calcoli per-vertex Ulteriori operazioni svolte in fasi successive Rasterizzazione interpola i dati

9 Geometry stage: Clipping Solo le primitive dentro il volume di vista canonico vengono mandate alla fase di rasterizzazione Totalmente o parzialmente Clipping opera sulle primitive parzialmente dentro il volume di vista

10 Geometry stage: Screen mapping Coordinate x,y delle primitive vengono trasformate in coordinate schermo Nuove coordinate + valori z-buffer sono passati alla fase di rasterizzazione Pipeline di rendering: Rasterizer stage Obiettivo: calcolare il colore dei pixel nell'immagine finale coperti da ogni primitiva Suddivisa in fasi funzionali:

11 Rasterizer stage: Triangle setup and traversal Scan conversione Controllo su pixel con centro coperto (anche parzialmente) da un triangolo Generazione fragment per la parte di pixel coperto da triangolo Dati di shading proveniente da Geometry stage Profondità Dati interpolati a partire dai 3 vertici Rasterizer stage: Pixel shading Operazioni per-pixel Shading (se non effettuato in geometry stage) Calcolo del colore per ogni pixel Color interpolation Texturing..

12 Rasterizer stage: Merging Combinazione tra: colore mantenuto nel color buffer colore dei fragment Risoluzione visibilità: Valori in color buffer solo per primitive visibili Z-buffer algorithm Controllo valore profondità frammento con valore in z-buffer Se minore, allora frammento è visibile e sostituisco valore nel color buffer e z-buffer Se maggiore, allora non è visibile e lo scarto Ordine rendering ininfluente Problemi con oggetti trasparenti Vanno trattati per ultimi e in ordine back-to-front Rasterizer stage: Merging Altri canali e buffer influiscono sui frammenti e sul colore finale dei pixel Alpha channel Informazioni opacità per ogni pixel Stencil buffer Usato per particolari operazioni di blending Accumulation buffer Usato per effetti come motion blur, soft shadows, ecc

13 Rasterizer stage: Merging Double buffering per evitare di vedere il risultato progressivo della rasterizzazione Rendering offline in back buffer Contenuto trasferito nel front buffer Performance di una pipeline Elementi di una pipeline eseguiti in parallelo Velocità di rendering Rendering speed o throughput data dallo stage più lento di una pipeline Collo di bottiglia (bottleneck) Frame per second (fps) Numero di immagini renderizzate al secondo Di solito considerata su intervallo Hertz (Hz) = 1/seconds Frequenza di update Utilizzata per display Valore fisso

14 Performance di una pipeline fps e Hz vanno messi in relazione Se fps sono maggiori della frequenza di refresh del display, la velocità di rendering è data da quest'ultima. Esempio: Collo di bottiglia della pipeline: 62.5 ms = 1/ = 16 fps Monitor: frequenza di 60 Hz Opzioni per velocità di rendering: 60 Hz, 30 Hz, 20 Hz, 15 Hz, 12 Hz,.. Di conseguenza: velocità di rendering finale 15 Hz Massimo valore costante supportabile dal monitor Pipeline grafica GPU Graphics Processing Unit (GPU) Accelerazione hardware essenziale per alte velocità di rendering Silicon Graphics leader nell'ambito professionale Dal 1996 (3Dfx Voodoo 1) hardware grafico disponibile in PC Ad oggi, hardware grafico disponibile su schede separate (ATI, NVIDIA) o integrate nelle schede madri (Intel) Su PC, notebook, tablet, smartphone, ecc...

15 Pipeline grafica GPU Videogiochi richiedono shading avanzato GPU più potenti = shading migliore Necessità di mantenere fps adeguati = continua evoluzione hardware

16 Pipeline grafica GPU Crescita valore GFLOPS Pipeline grafica GPU GPU Memory Bandwidth

17 Pipeline grafica GPU Design GPU specifico per calcoli matematici intensivi Rendering grafico: Tanto: Calcolo sequenziale Algebra lineare Calcolo matriciale Accesso sequenziale a memoria Poco: Controllo di flusso (if/else, cicli) Accesso casuale memoria Pipeline grafica GPU Più transistors per Arithmetic Logic Unit (ALU) Calcoli di rendering più veloci Area dedicata ad ALU: CPU (7%) vs GPU (>50%)

18 Pipeline grafica GPU: inizi CPU GPU Accelerazione hardware inizialmente usata per fasi finali pipeline rasterizzazione Pipeline grafica GPU: pipeline fissa CPU GPU Generazioni successive di hardware: Accelerazione hardware ha risalito la pipeline Pipeline fissa: fixed-function pipeline Pipeline hardware composta da elementi non programmabili Possibilità di settare diversi stati in alcune parti Es: test Z-buffer on/off Ma no possibilità di controllo sull'ordine e su quali funzioni applicare in ogni stato

19 Pipeline grafica GPU: pipeline programmabile CPU GPU Ultima decina di anni: pipeline programmabile Parti critiche della pipeline sono programmabili dall'utente tramite Shaders Implementazione, controllo e determinazione su tipo e ordine operazioni in alcune parti della pipeline Alcune parti rimangono configurabili e non programmabili Trend è verso sempre maggiore flessibilità e programmabilità Pipeline grafica GPU: pipeline programmabile CPU GPU Da pipeline fissa a pipeline programmabile: Processo graduale da limitata e opzionale programmabilità a obbligo utilizzo shaders Progressiva deprecazione di funzioni della pipeline fissa

20 Pipeline grafica: implementazione GPU Riorganizzazione Geometry and Rasterizer stage Diverse fasi hardware con diversi livelli di configurabilità o programmabilità Verde: completamente programmabili Gialli: configurabili ma non programmabili Blu: completamente fissi Geometry e Rasterizer stage revisitati

21 Pipeline grafica GPU: Vertex shader Prima fase ad elaborare una triangle mesh Precedente fase di assemblamento informazioni su vertici ecc Preparazione dati per elaborazione vertex shader Vertex shader: Modifica Crea Ignora Valori associati ad ogni vertice Colore Normale Coordinate texture posizione Pipeline grafica GPU: Vertex shader Non può creare o distruggere vertici Ogni vertice processato indipendentemente parallelismo Risultato elaborazione un vertice non può essere passato ad un altro vertice Esempi: Shadow volume Vertex blending Deformazioni procedurali (clothing, acqua, ecc).

22 Pipeline grafica GPU: Geometry shader Fase opzionale Elabora insieme più vertici di un oggetto Problemi di performance: Primitive sono elaborate e restituite nello stesso ordine di input Risultato da salvare e ordinare in caso di computazione in parallelo Imposto limite al numero di calcoli possibili Esempi: Creazione di un limitato numero di copie Selezione bordi per algoritmi legati a calcolo ombre Elaborazione ed estrazione di parametri legati ai vertici. Pipeline grafica GPU: Pixel shader Fase relativa alla definizione e gestione di come un triangolo copra i pixel dell'immagine finale Pixel shader offre piena programmabilità alle operazioni sui frammenti Tecniche image processing Calcolo gradienti Utilizzo avanzato textures

23 Pipeline grafica GPU: Pixel shader Multiple render targets (MRT) Salvataggio risultati pixel shader in buffer differenti Un singolo passo per calcolare più immagini intermedie Render-to-texture Tecniche Image-based Deferred rendering Forward rendering vs Deferred Rendering Forward rendering modalità standard descritta fino ad adesso calcolo illuminazione per-vertex, per-fragment, per ogni luce molto calcolo sprecato per frammenti che verranno scartati da depth testing

24 Forward rendering vs Deferred Rendering Deferred rendering processo geometria senza applicare lighting utilizzo diversi render targets per salvare colori profondità normali. applico lighting alla fine in Fragment shader solo su fragment effettivamente visibili complessità forward rendering: O(num_fragments * num_lights) complessità deferred rendering: O(screen_resolution * num_lights) Forward rendering vs Deferred Rendering Deferred rendering

25 Forward rendering vs Deferred Rendering Problemi Deferred rendering serve HW recente: supporto MRT serve adeguata larghezza di banda problemi con oggetti trasparenti e materiali multipli no anti-aliasing Adeguato in scene con molte luci dinamiche

26 Shader model Caratteristiche programmabilità delle pipeline Introdotti seguendo evoluzione DirectX Servono a categorizzare la caratteristiche della scheda grafica in uso Shader model Direct3D OpenGL Esempio scheda x NVIDIA GeForce 6800 ATI Radeon X x 3.x NVIDIA GeForce 8800 ATI Radeon HD x 4.x NVIDIA GeForce GTX 480 ATI Radeon HD 5870 Shader model

27 Shader model 4 Unified Shader Model Common-shader core Vertex, pixel, geometry shader condividono un modello di programmazione Set istruzioni consistente tra i 3 tipi Con differenze Es: solo pixel shaders possono utilizzare gradienti di coordinate per accedere a textures Shader model 4 Unified Shader Architecture Unified design Unità computazionali possono eseguire tutti e 3 i tipi di shader Architettura flessibile Vertex, pixel, geometry shader diventano thread Hardware non deve per forza avere architettura unica per supportare lo Unified Shader Model E viceversa

28 Unified Shader Architecture Unified Shader Architecture

29 Unified Shader Architecture Unified Shader Architecture

30 References Real time rendering 3rd edition : Cap 2-3 Cap 7 (pag ) Slide e immagini da Slide CS 563 Advanced Topics in Computer Graphics (Worcester Polytechnic Institute) Slide corso SIGGRAPH 2008 Beyond Programmable Shading Immagini da ering--gamedev-12342

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