Computer Graphics

Marco Tarini

Università dell’Insubria

Facoltà di Scienze MFN di Varese

Corso di Laurea in Informatica

Anno Accademico 2004/05

Lezione 17: dose finale

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 2/40

Alcuni argomenti che non abbiamo trattato (o abbiamo trattato poco)• Modelling:

– superfici di suddivisione

• Paradigmi alternativi di rendering:– raytracing– radiosity

• Tecniche che usano tessiture:– opacity-maps– bump-maps

• Altri contesti applicativi:– Rendering non fotorealistico

• I progressi recenti in HW grafico:– HW programmabile

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Università dell’Insubria

Facoltà di Scienze MFN di Varese

Corso di Laurea in Informatica

Anno Accademico 2004/05

Lezione 16: dose finale

Modelling:superfici di

suddivisione

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Superfici di suddivisione

• Modo molto diffuso per costruire mesh– 1: fare mesh di controllo

• a bassissima risoluzione• a mano

– 2: raffinarla automaticamente• iterativamente• (e ad ogni interazione si aggiungono facce e

vertici)

• molti schemi matematici differenti– con diverse peoprietà

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Superfici di suddivisione

• Esempio: schema butterfly

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Superfici di suddivisione

• Esempio: schema butterfly

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 7/40

Superfici di suddivisione

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Superfici di suddivisione

Anche iterativamente:1- Modelling base2- suddivisione3- Ritocco4- Suddivisione...

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Corso di Laurea in Informatica

Anno Accademico 2004/05

Lezione 16: dose finale

Altri Paradigmidi

RenderingRAY-TRACING

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Ray-Tracing

• In questo corso abbiamo vistoRendering...– Real Time (o almeno interattivo)– Basato sull'HW– Rasterization based...

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Ray-Tracing

• Idea:– per ogni pixel sullo schermo:

• mando un raggio (il "raggio primario" di quel pixel)

• trovo la sua 1ma intersezione con un oggetto della scena

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 12/40

Ray-Tracing

• Implementazione:– tutta basata su

intersezione raggio-primitive (che va super-ottimizzata)

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Ray-Tracing

• Facile fare: ombre portate (nette)raggio primario

raggio di shadowing (interseca, quindi il punto e' in ombra)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 14/40

Ray-Tracing

• Facile fare: riflessioni speculari (anche multiple)raggio primario

raggio di riflessione

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 15/40

Ray-Tracing

• Facile fare: semitrasparenze con rifrazioniraggio primario

raggio di riflessione

raggio di rifrazione

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 16/40

Ray-Tracing: tipici esempi di risultati

( Advanced Rendering Toolkit - Alexander Wilkie - 1999)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 17/40

Ray-Tracing: tipici esempi di risultati

( Advanced Rendering Toolkit - Alexander Wilkie - 1999)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 18/40

Ray-Tracing : tipici esempi di risultati

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 19/40

Ray-Tracing : costo

• E' computazionalmente caro– costanti alte– ma in verità SUBLINEARE col numero di

primitive• se vengono usate strutture dati adeguate

• In pratica, usato solo per rendering off-line

• Nota: non usa nessun HW specializzato– ma la CPU normale

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 20/40

Ray-Tracing: HW apposito

Scene: 5 alberi (milionate di triangoli) 28mila girasoli (11 tipi), 35K triangoli ciascuno.

OpenRT ProjectinTrace Realtime Ray Tracing Technologies GmbHMPI Informatik, Saarbrueken - Ingo Wald 2004

HW specializzatoper fare RayTracing.

Per ora, solo prototipinei laboratori.

Stessa idea base (parallelizzare).

Implementazionedel tutto differentedal nostro pipelinedi rasterizzazione.

Sfonderà?

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Anno Accademico 2004/05

Lezione 16: dose finale

Altri Paradigmidi

RenderingRadiosity

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Radiosity

• Modo per fare illuminazione globale• Gestisce bene riflessioni multiple diffuse

– ciò che noi avevamo approssimato sommariamente col termine AMBIENT

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 23/40

Radiosity: Concetto

• Dividere la scena in pezzetti– circa uguali– (non come i nostri triangoli...)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 24/40

Radiosity: Concetto

• Dividere la scena in pezzetti• Per ogni coppia di pezzetti i e j

– calcolare quanta luce ...• che parte da i• e si diffonde in tutte le direzioni (DIFFUSE!)

– ... raggiunge j

• Alcuni pezzetti emanano luce propria (le luci!)

– gli altri diffondono solo quella che gli arriva da fuori

• Poi risolvere tutto (facile a dirsi)

la matriciona corrsipondentee' detta Form Factor

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 25/40

Radiosity: Come

• Vecchia scuola:– invertire una matrice enorme

• Come si fa davvero:– metodi randomizzati stocastici (Monte Carlo)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 26/40

Radiosity: Costo

• E troppo caro da calcolare in tempo reale– e sarà cosi a lungo

• Ma... il risultato di questa computazione NON dipende dal punto di vista!– può essere salvato nella scena

• come colore per vertice• in una tessitura • etc

– e renderizzato real time tramite rasterizzazione:• almeno finchè cambia solo il punto di vista

– (ne' l'illuninazione ne' la scena)

• togliendo il lighting (almento le componenti AMBIENT e DIFFUSE)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 27/40

Radiosity: tipici esempi di risultati

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 28/40

Torniamo al Rendering

basato su Rasterizzazione

eseguito su HW grafico specializzato

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Anno Accademico 2004/05

Lezione 16: dose finale

Opacity Maps

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Texture mapping e Alpha Test

• In una tessitura, ogni texel può avere anche una componente alpha– Colore + trasparenza

• Un canale alpha può essere composto di soli – 1 completamente opaco– 0 completamente trasparente

• frammenti corrispondenti cassati dall'alpha-test

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Texture mapping e Alpha Test

• Trucco molto utile:– es: simboli e testo sulla scena...– es: sistemi di particelle

con particelle grandi

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Texture mapping e Alpha Test

• Trucco molto utile:– es: erba...

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 33/40

Texture mapping e Alpha Test

• Trucco molto utile:– es: drappi, barba...

by Micheal Filipowski2004

tessitura

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Texture mapping e Alpha Test

• Trucco molto utile:– es: alberi

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 35/40

Texture mapping e Alpha Test

• Trucco molto utile:– es: pelliccia

tessitura(ripetuta)

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Lezione 16: dose finale

Bump-Mapping

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Bump-Mapping

Fram

men

ti&

att

rib

uti

in

terp

ola

ti

Vert

ici

& loro

att

rib

uti

Screen buffer

Vert

ici

pori

ett

ati

& a

ttri

bu

ti

com

pu

tati

rasterizer

triangoli

set-up

rasterizer

segmenti

set-up

rasterizer

punti

set-up

com

puta

zioni

per

vert

ice

Texture RAM

interpolocoordinat

etexture

coordinate

texture interpolat

e

compreso:

coordinate

texture(per vertice!)

bumpmap:ogni texel(la codifica di) una normale

texture look-up,lighting(usando

la normale)

com

puta

zioni

per

fram

mento

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 38/40

Bump-Mapping

• E' un metodo molto diffuso– per aggiungere dettaglio geometrico

in maniera efficace

• E' un froma di per-fragment lighting– il lighitng è computato per ogni frammento– come ad esempio anche il Phong shading

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 39/40

Bump-Mapping

stessa geometria (una sfera)bumpmaps diverse

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Lezione 16: dose finale

Renderingnon fotorealistico

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 41/40

Rendering non fotorealistico

• NPR = Non Photorealistic rendering• Un rendering dove l'obiettivo non è il

realismo ma:– la chiarezza

• immagine che da informazione nel modo più chiaro possibile

– oppure l'imitazione di uno stile umano:• stile toon (cartone animato)• stile disegno a matita• stile stampa• stile chiaroscuro a matita• ...

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 42/40

Rendering non fotorealistico

• Esempio: rendering in stile disegni a matita

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 43/40

Rendering non fotorealistico

• Esempio: hatching

Emil Praun, Hugues Hoppe, Matthew Webb, Adam Finkelstein 2001

modello 3D rendering (in tempo reale)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 44/40

Rendering non fotorealistico

• Esempio: renderings stile toonQuesti sono rederingsoff-line.

Ma esistono algoritmiper il nostro HW graficoper ottenere questotipo di effettiin tempo reale !

bordi come linee scure

shading quantizzato

(due gradazioni di verde, invece di una sfumatura

continua)

M 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 ‧ 2 0 0 5 / 0 6 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a - 45/40

Rendering non fotorealistico

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Lezione 16: dose finale

Programmabilitadella GPU

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Bump-Mapping

Fram

men

ti&

att

rib

uti

in

terp

ola

ti

Vert

ici

& loro

att

rib

uti

Screen buffer

Vert

ici

pori

ett

ati

& a

ttri

bu

ti

com

pu

tati

rasterizer

triangoli

set-up

rasterizer

segmenti

set-up

rasterizer

punti

set-up

PROGRAMMABILITA' ! ! !

com

puta

zioni

per

vert

ice

com

puta

zioni

per

fram

mento