Computer Graphics. Visione di insieme: Visione di insieme: Hardware specializzato per il rendering. Lezione 2: hardware ergo triangoli

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1 Computer Graphics Leione 2: hardware ergo Università dell Insubria Facoltà di Sciene MFN di Varese Corso di Laurea in Informatica Anno Accademico 2009/10 Marco Tarini Hardware specialiato per il rendering Visione di insieme: "GPU GPU": Graphics processing Unit La CPU della scheda video Instruction set specialiato! Architettura pipelined a "catena di montaggio" Modello di computaione SIMD sfrutta l'alto grado di parallelismo insito nel problema Possiede la sua memoria RAM a bordo "RAM CPU" vs "RAM GPU" grandi copie di memoria da una all'altra dispendiose Hardware specialiato per il rendering Visione di insieme: principali produttori: NVidia e ATI (e Intel, AMD - schede integrate) supercomp: SUN potena di calcolo ordine di centinaia di Gflops! bus dedicato AGP - Accelerated Graphic Port (dal 1997 a ~2007) fino a ~866 MB/s PCI-epress (dal 2004 a oggi) 1.0: fino a ~16250 MB/s da Gen : ~32512 MB/s ~20 anni: dalla metà degli '80 (e.g.: SGI Iris ) dalla metà dei '90, la fiaccola passa dai mainframes ai PC progressi enormi nella efficiena più di "Moore s Law": ~2.4 / ear invece di ~1.6 / ear nella funionalità aumentano i task che è possibile demandare all'hw spec. filosofia di fondo rimasta la stessa paradigma di rendering: basato principalmente su rasteriaione di aumento potena: primitive al sec aumento potena: GFLOPS 10 9 One-piel polgons (~10M 30H) Peak Perf ( 's/sec) 10 6 HP VRX Flat 10 5 shading UNC Ppl4 SGI GT HP CRX SGI Iris 10 4 UNC Ppl5 SGI SkWriter SGI VGX HP TVRX Stellar GS1000 Gouraud shading SGI RE Year E&S F300 SGI RE2 Antialiasing UNC/HP PielFlow Division Ppl6 Megatek Tetures E&S Freedom Division VPX SGI R-Monster SGI IR E&S Nvidia TNT 3DLabs Harmon SGI Glint Cobalt Accel/VSIS Voodoo PC Graphics GeForce 3 & Radeon (ecco il perchè del General Purpose Computation on GPU) 1

2 CPU vs GPU CPU Transistors: ~20% ALU ~80% control GPU Transistors ~90% ALU ~10% control aumento potena più flessibilità più potena! CONTROL ALU ALU ALU ALU Virtua Fighter (SEGA) Dead or Alive 3 (Tecmo Corp., Xbo) Dawn (NVIDIA) CHACHE 50K triangles/sec 100M triangles/sec 250 triangles/sec DRAM DRAM 1.4 G transistors 1 TeraFLOP aumento capabilities HW supported transform and lighting HW supported polgon fill HW supported color interpolation (Goroud) HW supported teture mapping HW supported per-piel shading (Phong) HW supported alpha blending HW supported fog computation HW supported Z-buffers HW supported bump-mapping HW supported environment mapping ( Cube-maps ) HW supported stencil buffers (per piel masks) HW supported color transform matrices HW supported paletted tetures HW supported multiple teture accesses HW supported teture filtering (MIP-maps) HW supported Level-of-Detail computation HW supported dependent teturing Programmable HW Progresso congiunto HW e Un po' come ruota e strada tecniche algoritmiche tecnologia ruota continua contaminaione fra livelli diversi! tecnologia strada sviluppi hardware Livelli? Che livelli? Livelli Displa vettoriali: il fascio veniva pilotato direttamente in maniera libera Il tubo catodico (CRT): un fascio di elettroni diretto su una superficie coperta di fosfori Displa raster CRT : linea per linea, si spaa tutto lo schermo N volte al secondo (N = refresh rate) Bomb jack - Tehkan

3 Livelli Livelli Displa raster LCD (Liquid Crstal Displa)..liquido + polariaione luce passivi e Thin Film Transistors Plasma displa per piel: eno ioniato via elettrodi reagisce con fosforo e produce luce Hardware specialiato per CG Proiettori LCD o DLP. DLP (Digital Light Processing) Specchietti controllati per riflettere la luce (DMD,Digital Micromirror Device) single chip, three chip Livelli: Driver Livelli: Application Program Interface Insieme di routine (sotto forma di libreria) per implementare funionalità ad alto livello che vengono utiliate dallo sviluppatore Driver: insieme di routine che controlla a basso livello le periferiche hardware. Creati per le varie piattaforme dagli stessi produttori esempio: OpenGL glbegin(gl_lines); glverte2f(0.0,0.0); glverte2f(1.0,1.0); glend(); Livelli: Livelli: Il regno dello sviluppatore! L esempio precendente è un algoritmo (*) che, usando le funioni glbegin,glend e glverte2f della OpenGl, disegna un segmento tra (0,0) e (1,1) (*) molto banale Quando un algoritmo che implementa una nuova funionalità ha successo può venire incluso a livello dell. Chi lo decide? Chi la scrive! Per DirectX decide Microsoft Per OpenGl decide l Opengl ARB Architectural Review Board ARB... 3

4 Livelli: Livelli: applicaioni Software Development Kit tutto quel che serve per sviluppare un applicaione Tutte quelle viste nella presentaione sono applicaioni ambiente di sviluppo (es:.net, devcpp) librerie strumenti per la condivisione/sincroniaione del codice manualistica, guide online esempi, benchmarks... Hardware specialiato per il rendering Vantaggio: efficiena instruction set specialiato (computaioni più comuni hard-wired) parallelismo ben sfruttato: 1. fra CPU e GPU» rendering nella scheda grafica» resto dell'applicaione libera di utiliare la CPU e RAM base 2. fra le fasi del pipeline 3. entro ogni fase del pipeline (più sottoprocess. per fase) 4. a volte: fra GPU distinte (più schede sullo stesso BUS) Svantaggio: rigidità si vincola l'approccio usato per fare rendering... Paradigmi di rendering (classi di algoritmi di rendering) Ra-Tracing Rasteriation based Image based (per es. light filed) Radiosit Point-splatting Photon mapping paradigmi di rendering? Paradigmi di rendering (classi di algoritmi di rendering) Paradigmi di rendering (classi di algoritmi di rendering) Ra-Tracing Rasteriation based Image based (per es. light filed) Radiosit Point-splatting Photon mapping... Rendering Paradigm: (Triangle-) ) Rasteriation Based Ra-Tracing detto anche: Rasteriation based Transform and Lighting Image based (per es. ( light T & filed) L ) Radiosit I. Che si usino solo Point-splatting le seguenti primitive di rendering : Photon mapping, segmenti, punti... 4

5 detto anche: Transform & Lighting Transform & Lighting... Punti 3D Segmenti 3D Triangoli 3D Transform & Lighting scheda grafica screen buffer video Transform : trasformaioni di sistemi di coordinate scopo: portare la scena davanti all'obiettivo della nostra macchina fotografica (virtaule) piaare i visibili sullo schermo Lighting : illuminaione (in senso generale) scopo: calcolare il colore finale di ogni parte della scena risultante da le sue caratteristiche ottiche l'ambiente di illuminaione Rasteriation-based HW-supported rendering anche riferito come Transform and Lighting (T&L) paradigm Rasteriation-based HW-supported rendering punto primo: tutto sia composto da (3D) o al limite da punti, o segmenti Scena 3D rendering screen buffer =( 0, 0, 0 ) composta da primitive di pochissimi tipi: punti primitive linee di MA SOPRATUTTO rendering =( 1, 1, 1 ) =( 2, 2, 2 )... Rasteriation-Based Rendering più specificatamente Rasteriation-Based Rendering più specificatamente... transform fragment process piels transform fragment process piels vertici 3D triangolo 2D a schermo (2D screen triangle) "" (fragments) vertici 3D triangolo 2D a schermo (2D screen triangle) "" (fragments) il lighting invece avviene insieme alla fase "transform" e/o alla fase "fragment process" carico di lavoro (sottosistema geometrico) carico di lavoro (~per piel) (sottosistema raster) 5

6 Z computaioni Z computaioni... Rasteriation-Based Rendering Chi e' il collo di bottiglia? il sistema geometrico? (l'applicaione è transofrm-limited sinonimo: geometr-limited) il sistema raster? (applicaione è fill-limited) il bus? (applicaione è bus-limited sin: bandwidth-limited) la CPU? (applicaione è CPU-limited) come si può predirre (in teoria)? come si può verificare in pratica? perchè e importante scoprirlo? Note sulla GPU odierne Stima delle prestaioni: i produttori scrivono tanti numeri, tra i quali: Trasformaioni per secondo (sottosistema geometrico) Fill-rate (KB al sec, o in al secondo) Dimensioni Memoria Video I primi due sono da prendersi con le molle Sono prestaioni picco, (nella pratica valgono solo su apposito esempio) ma danno un'idea Eserciio State effettuando il rendering di un modello composto da un milione di su un displa con risoluione piel. Il rendering finale occupa l'80% del displa. La scheda che state utiliando ha una performance di 20 milioni di al secondo ed un fill-rate di 20 Mpiel al secondo. Qual'è il numero massimo di fotogrammi al secondo (fps) che potete ottenere? Il sistema è fill-limited o geometr-limited? Soluione: Rasteriation-Based HW-Supported Rendering: Z computaioni (candidati piels) computaioni piel = ,8 numero di piels da accendere per un rendering 20*2^20= numero di piels che la scheda può rasteriare al sec Il sottosistema raster può produrre: / ,8 = 25 fotogrammi al secondo Il sottositema geometrico può produrre 20 * 10^6 / 10^6 = 20 fotogrammi al secondo Quindi la risposta è 20, e il sistema è transform-limited. Rasteriation-Based HW-Supported Rendering Cenni storici: nei PC... dedicated HW (con GPU) (candidati piels) computaioni piel (candidati piels) computaioni piel Verte porcessor Fragment proces. componenti fisiche dell'hw! Pipeline Parallelismo Efficiena inoltre, molte componenti sono replicate (negli stages collo di bottiglia) general purpose HW (con CPU)

7 Z computaioni Z computaioni Z computaioni Z computaioni Cenni storici: nei PC... dedicated HW (con GPU) Cenni storici: nei PC... dedicated HW (con GPU) (candidati piels) computaioni piel (candidati piels) computaioni piel general purpose HW (con CPU) general purpose HW (con CPU) Rasteriation-Based HW-Supported Rendering: Rasteriation-Based HW-Supported Rendering: segmenti 3 3 (candidati piels) computaioni piel 2 2 segmenti (candidati piels) computaioni piel Rasteriation-Based HW-Supported Rendering: punti Vertice (punto in R 3 ) Z computaioni Vertice proiettato (punto in R 2 ) punti segmenti (candidati piels) computaioni piel Rasteriation-based HW-supported rendering tutto sia composto da (3D) o al limite da punti, o segmenti ma... quasi nulla...non tutto nasce composto di esempio di point "splat" (point splatting) 7

8 un quadrilatero? due un poligono a n lati? (n-2) "quad" "diagonal split" triangolariaione di poligono: (in 3D, non un problema del tutto banale...) la superficie di un solido geometrico, per es. una sfera? la superficie di un solido geometrico, per es. una cono? Esempio di campo di altea triangolato "height field" un esempio tipico: campo d'altea per modellare un terreno... un campo d'altea? (arra 2D di altee, e.g. per modellare un terreno?) 8

9 una superficie curva parametrica? per es. NURBS *, b-splines *... questo è facile. Il contrario, che qualche volta è utile, MOLTO meno nuvola di punti? (point cloud) problema molto studiato, e (nel caso generale) difficile * verdemo M a r c più o avanti T a r i n nel i corso, C o m se p u c'è t e r tempo G r a p h i c s da nuvola di punti a : esempio che definiscono una iso-superficie volume? algoritmi di segmentation (e.g. "marching cubes" * ) * verdemo M a r c più o avanti T a r i n nel i corso, C o m se p u c'è t e r tempo G r a p h i c s Da dataset volumetrico a : esempio che definiscono la superficie esplicitamente superfici implicite? nb: non c'e' un modo solo per farlo. Modo + semplice (non ottimo): campionare volume e estrarre isosuperfice a valore 0 9

10 Tornando allo schema generale... mondo reale / modello matematico / artista 3D... acquisiione 3D / simulaione / modellaione (e.g. 3Dstudio ma, Maa) Tipica fase di preporsessing Geometria diagonal split (da quad a 2 tri) può venire fatto anche qui, al volo rendering preprocessing (modelling) Geometria rendering Immagine/i applicaione interattiva preprocessing (modelling) Tutto il resto che abbiamo visto nei lucidi precedenti (trasformaione in ) tipicamente qui Immagine/i Riassuntino Modellare direttamente con Quads Campi d'altea Forme geo. di base Superfici parametriche n-agoni Dati Volumetrici Superfici implicite Nuvole di punti "al volo" Triangoli r e n d e r i n g rappresentare gli oggetti con o al limite da punti, o linee una teiera?,, un coniglio di porcellana? Modellare direttamente con Low-pol modelling rappresentare gli oggetti con o anche quads (o al limite da punti, o linee) molti strumenti interattivi Maa (Autodesk) (*), 3Dstudio (Ma) (*), Solidthinking (*), Rhinoceros (*), (attraverso superfici parametriche) Wings3D, Z-brush (Piologic) (*), MeshLab, (VCG-group, Pisa)... (*) = commerciali "low-pol modelling": l'arte di modellare l'oggetto con POCHI TRIANGOLI (per evitare di rendere l'applicaione transform limited) (tipico skill dell'artista digitale per i video games) 10

11 Low-pol modelling Un limite generale di questo approccio Non sempre e' semplice modellare le entità da rappresentare con... esempi: nuvole fuoco pelliccia / 1 0 U n i v e r s b i t à Phillip d e Heckinger l l I n s u b (3D r i a modeller) b Niniane Wang b N. Adabala uni florida b M. Turitin and J. Jacobs (non real time) (non real time) Stanford Uni (real time!) Primitive di rendering Primitive di rendering Triangoli ok, abbiamo capito Quads in un certo senso, perchè diventano al volo Segmenti Tutto l'hardware è progettato e ottimiato principalmente per questo caso Triangoli ok, abbiamo capito Quads in un certo senso, perchè diventano al volo Segmenti utili ad esempio per particle sstems Punti Punti Primitive di rendering Triangoli ok, abbiamo capito Quads in un certo senso, perchè diventano al volo Segmenti utile ad esempio per fare rendering di capelli peli etc (ma non è l'unico sistema e non è detto che sia il migliore) Punti nvidia tech demo at SIGGRAPH 2001 nvidia quadro nvidia technolog demo at SIGGRAPH 2004 =REAL M TIME!= a r c o T a r i n i C o m p u t e r G r a p h i c s 11