Lezione1. Cos è la computer grafica. Lezione del 10 Marzo Michele Antolini Dipartimento di Ingegneria Meccanica Politecnico di Milano

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1 Lezione1 Informatica Grafica Cos è la computer grafica Lezione del 10 Marzo 2010 Grafica OpenGL vs Direct Dipartimento di Ingegneria Meccanica Politecnico di Milano 1.1

2 Tubo a Raggi Catodici Cathode Ray Tube - CRT Karl Ferdinand Braun inventa il primo dispositivo di scansione a raggi catodici Grafica OpenGL vs Direct 1.2

3 Tubo a Raggi Catodici Cathode Ray Tube - CRT Boris Rosing, utilizzando un dispositivo elettromeccanico, riesce a disegnare semplici forme geometriche su uno schermo CRT Grafica OpenGL vs Direct 1.3

4 Tubo a Raggi Catodici Oscilloscopio L oscilloscopio è stata una delle prime applicazioni del tubo catodico Permette di visualizzare un segnale ripetitivo (variazione di voltaggio fornito al cannone elettronico, electron gun) Fonte: Wikipedia Grafica OpenGL vs Direct 1.4

5 di computer graphics Ivan Sutherland sviluppa una delle prime GUI (Graphical User Interface) utilizzando un plotter e una penna luminosa, sviluppando il concetto innovativo di oggetti e istanze È stato la base per i moderni Computer Aided Design (CAD), per la programmazione object oriented e, in generale, per le Graphical User Interfaces (GUI) Grafica OpenGL vs Direct Fonte: Wikipedia 1.5

6 di computer graphics AN INTRODUCTORY EXAMPLE Grafica OpenGL vs Direct 1.6

7 di computer graphics Y EXAMPLE 23 Grafica OpenGL vs Direct 1.7

8 di computer graphics Grafica OpenGL vs Direct 1.8

9 di computer graphics Grafica OpenGL vs Direct 1.9

10 di computer graphics Grafica OpenGL vs Direct 1.10

11 di computer graphics Grafica OpenGL vs Direct 1.11

12 di computer graphics Grafica OpenGL vs Direct 1.12

13 di computer graphics Grafica OpenGL vs Direct 1.13

14 di computer graphics si può considerare il primo esempio di vector graphics La tesi di Sutherland è disponibile online all indirizzo: UCAM-CL-TR-574.pdf Grafica OpenGL vs Direct 1.14

15 Grafica Definizione Si definisce attualmente come generazione basata su calcolatore di immagini digitali come modelli geometrici (), testo, immagini digitali. Si divide in: Pixel art: ogni immagine visualizzata è concepita come un insieme (ordinato) di punti (detti pixel). Ogni manipolazione modifica il colore di pixel specifici. Un immagine definita come griglia di punti si definisce raster graphics Grafica vettoriale: le immagini sono generate a partire da primitive geometriche come punti, linee, curve, poligoni, basandosi su funzioni matematiche Grafica OpenGL vs Direct 1.15

16 Grafica Raster vs Vector Grafica OpenGL vs Direct Fonte: Wikipedia 1.16

17 Grafica In grafica si usa una rappresentazione tridimensionale di dati geometrici, memorizzati all interno di un computer, al fine di eseguire calcoli e di creare immagini (proiezioni) bidimensionali, dette rendering Grafica OpenGL vs Direct 1.17

18 Pixel Un pixel è la più piccola unità rappresentabile su uno schermo Grafica OpenGL vs Direct 1.18

19 Immagine Un immagine è un oggetto bidimensionale formato da un insieme ordinato di pixel Grafica OpenGL vs Direct 1.19

20 Rasterizzazione La rasterizzazione è un operazione che permette di trasformare grafica vettoriale (descritta matematicamente) in un immagine, associando un colore ad ogni pixel Se la grafica vettoriale descrive un modello tridimensionale si parla di rendering Grafica OpenGL vs Direct 1.20

21 Rendering Processo di generazione di un immagine a partire da un modello tridimensionale. Per effettuare l operazione è necessario specificare: Geometria Punto di vista e field of view (FOV) Texture (letteralmente tessuto ) Illuminazione Shading (letteralmente ombreggiatura ) Grafica OpenGL vs Direct 1.21

22 Rendering Proiezione Definendo geometria, punto di vista e campo di visione (Field of View) è possibile proiettare la scena su un piano per ottenere la successiva rasterizzazione Centro di proiezione A B A Piano di proiezione B Grafica OpenGL vs Direct 1.22

23 Rendering Shading Lo shading è l operazione che permette, dato il colore di una superficie o di una faccia di un poligono, di calcolarne l ombreggiatura in base alla direzione della luce (partendo dalla posizione della sorgente luminosa). Flat shading: assegnazione di una tonalità di colore per ogni faccia dei poligoni contenuti nella scena Smooth shading: per ogni pixel dell immagine rasterizzata, la tonalità di colore dipende dall interpolazione dei vettori normali alle facce del poligono Grafica OpenGL vs Direct 1.23

24 Rendering - Flat vs smooth shading Grafica OpenGL vs Direct 1.24

25 Rendering Texture mapping Applicazione di un immagine bidimensionale (detta texture) sulla superficie di un oggetto. Grafica OpenGL vs Direct 1.25

26 Rendering Texture mapping Applicazione di un immagine bidimensionale (detta texture) sulla superficie di un oggetto. Grafica OpenGL vs Direct 1.26

27 Rendering Bump mapping Uno dei modi più interessanti in cui vengono utilizzate le texture in base alla tonalità di grigio presente in ogni pixel della texture, la superficie su cui viene applicata la texture viene modificata creando rugosità che verranno renderizzate adeguatamente durante il processo di shading. Grafica OpenGL vs Direct 1.27

28 Grafica I programmi hanno una struttura molto simile Fasi: Definizione geometrie (vertici, vettori, linee, poligoni, superfici) Definizione punto di vista, FOV, proiezione Rasterizzazione, shading (+eventuali texture) Sono coinvolti vettori, matrici, equazioni matematiche Grafica OpenGL vs Direct 1.28

29 Software Hardware Presenza di algoritmi maturi per le operazioni Necessità di applicare ad un grande numero di dati le medesime operazioni 1984: la IBM rilascia il primo tentativo di scheda per PC dedicata all accelerazione hardware / (con un processore , 8MHz) Negli anni 90 l accelerazione prima e poi diventano sempre più importanti per le prestazioni dei computer, così società come S3, ATI, Matrox cominciano a produrre schede di accelerazione hardware sempre più performanti. Grafica OpenGL vs Direct 1.29

30 Librerie grafiche Nascono le librerie grafiche OpenGL vs. Direct Grafica OpenGL vs Direct 1.30

31 OpenGL vs Direct Direct Interfaccia proprietaria, sviluppata da Microsoft e implementata solo per sistemi Microsoft Estremamente legata all hardware e alle funzionalità fornite dalle schede grafiche Per ogni versione, la backward compatibility è difficilmente garantita Dalla versione 9 in poi le prestazioni sono molto elevate e l architettura è diventata matura Grafica OpenGL vs Direct 1.31

32 OpenGL vs Direct OpenGL È una specifica, un insieme di API. Non è legato all hardware, ma permette un astrazione delle funzionalità È uno standard aperto e ne esistono implementazioni per diversi sistemi operativi (anche di tipo mobile (iphone, Android, Symbian) L interfaccia si è evoluta nel tempo, ma la filosofia iniziale non è mai cambiata (es. principio della macchina a stati, astrazione dalle funzionalità hardware) Grafica OpenGL vs Direct 1.32

33 GPU Le schede grafiche (GPU) non sono più semplici rasterizer ma gestiscono luci, texture e shading Negli anni 2000 i produttori di GPU forniscono gli strumenti per programmare direttamente sull hardware gli algoritmi di shading Ogni pixel viene processato da un programma residente sulla GPU che può includere texture aggiuntive o altri tipi di input Ogni vertice può essere ulteriormente processato dall hardware Grafica OpenGL vs Direct 1.33

34 GPGPU Le schede grafiche odierne non si occupano più solo di grafica La programmabilità e la capacità di eseguire calcoli complessi da applicare ad un gran numero di dati in contemporanea (alto parallelismo a livello hardware) fa preferire l esecuzione di alcuni algoritmi su GPU piuttosto che su CPU Questa tecnica si definisce General Purpose (Computing) on GPU (GPGPU) Esistono numerose applicazioni in grado di sfruttare le GPU, principalmente di tipo scientifico. Esistono anche diverse implementazioni di encoder/decoder audio/video Grafica OpenGL vs Direct 1.34

35 Librerie per GPGPU Le principali librerie che permettono l esecuzione di codice su GPU sono: OpenCL (standard utilizzato dal sistema operativo Snow Leopard) CUDA (sviluppato per le schede NVidia) Stream (sviluppato per le schede Ati) Oltre gli scopi del corso, consiglio di curiosare le potenzialità di CUDA e OpenCL Grafica OpenGL vs Direct 1.35

36 per occuparsi di computer grafica () Chi si occupa di computer grafica deve necessariamente avere una serie di conoscenze di base: Geometria ed algebra dei vettori (coordinate omogenee, rappresentazione dei vettori, operazioni tra vettori prodotto scalare, vettoriale, normalizzazione, etc) e delle matrici (determinante, inversione di matrici, matrici di trasformazione per rototraslazioni e altre operazioni lineari Programmazione: il linguaggio più utilizzato è senza dubbio il C++, anche se anche Java copre una parte delle applicazioni Modellazione : a partire dalla creazione di modelli, alle texture, alla programmazione degli shaders Giochi: chi si occupa di giochi (e vuole fare tutto da solo) deve anche conoscere e saper utilizzare le leggi della fisica, le tecniche di multithreading, intelligenza artificiale, multimedialità in genere! Grafica OpenGL vs Direct 1.36

37 Venerdi 12 marzo La prossima lezione si terrà in aula 18 dalle alle Grafica OpenGL vs Direct 1.37