Computer Graphics

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Computer Graphics

Marco Tarini Università dell’Insubria

Facoltà di Scienze MFN di Varese Corso di Laurea in Informatica Anno Accademico 2011/12

Lezione Lezione Lezione

Lezione 12: 12: 12: 12: davanti e dietro.

rimozione delle superfici nascoste

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 1 1 / 1 2 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Rimozioni delle superfici nascoste

• Gli oggetti più vicini devono coprire quelli più lontani

– gli oggetti lontani sono "occlusi"

da quelli più vicini

Rimozioni delle superfici nascoste

• Non e' occlusion culling

– che puo' solo rimuovere

interi triangoli occlusi (magari a gruppi) – che è solo una ottimizzazione

• Back-face culling non basta – esempio:

superfici non back-facing, non totalmente occluse ma parzialemnte occluse

Rimozioni delle superfici nascoste

• Soluzione 1:

– dividere ogni triangolo parzialmente occluso

in parte visibile e parte occlusa?

• facendo una operazione di clipping Come si trovano le coppie occluso/occlusore?

Clipping di un triangolo e un altro?

E dove, nel pipeline HW?

SOLUZIONE IMPROPONIBILE

Rimozioni delle superfici nascoste

• Soluzione 2:

– disegnare solo poligoni interi, ma nell' ordine giusto

• (back-to-front)

– noto come "algoritmo del pittore"

Algoritmo del pittore (depth sorting)

• Data una scena (composta da primitive) – ordinare le primitive per profondità

• dalla più remota alla più vicina al punto di vista – mandarle tutte (in ordine)

Scomodo!

Poco efficente!

Pensare al progetto

che abbiamo fatto.

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2 Algoritmo del pittore (depth sorting)

Fr am m en ti & at tri bu ti & at tri bu ti & at tri bu ti & at tri bu ti in te rp ol at i in te rp ol at i in te rp ol at i in te rp ol at i Ve rti ci & lo ro a ttr ib ut i & lo ro a ttr ib ut i & lo ro a ttr ib ut i & lo ro a ttr ib ut i

Screen buffer Ve rti ci p or ie tta ti & at tri bu ti & at tri bu ti & at tri bu ti & at tri bu ti co m pu ta ti co m pu ta ti co m pu ta ti co m pu ta ti

rasterizer triangoli

co m pu ta zi on i pe r f ra m m en to set- up

rasterizer segmenti set- up

rasterizer punti set- up

co m pu ta zi on i pe r v er tic e

DOVE?

x y

z v0 v1

v2

v0 v1

v2

prima di mandare i triangoli.

Fatto dalla CPU !

Algoritmo del pittore (depth sorting)

• Data una scena (composta da primitive) – ordinare le primitive per profondità

• (cioe’ in ordine di z… in spazio vista!) – mandarle tutte (in ordine)

Sorting Sorting Sorting Sorting!

Complessità pesudolineare (n log(n) n log(n) n log(n)) n log(n) col numero di primitive.

in comp graph, peggio di lineare vuol

dire MALE

Una primitiva non ha una sola profondità!

piuttosto ha una profondità max

max max max e una min min min min

Algoritmo del pittore (depth sorting)

• Ma va prima C o D?

• Ma poi, esiste sempre

un "ordine giusto"? ^P ^ro ^fo

n d it à

z

min

Primitive B

z

max

A

E D

C

• La primitiva A può essere disegnata per prima

Algoritmo del pittore (depth sorting)

• La primitiva A può essere disegnata per prima

• Ma va prima C o D?

• Ma poi, esiste sempre un "ordine giusto"?

– NO:

• intersezioni – NO:

• cicli di sovrapposizioni

Algoritmo del pittore (depth sorting)

• Oneroso – sorting: (n log (n)) – e nella parte software!

• Mal adattato allo schema HW – deve lavorare in spazio occhio

...ma prima della proiezione HW ?!

– lavorare globalmente su tutta la scena prima di mandare la prima primitiva

• Scomodo all'atto pratico

– le primitive sono già "ordinate" semanticamente (scene-graph)

• Test difficili

– in alcuni casi (quando gli intervalli min z e max z non sono disgiunti)

• Bisogna comunque fare clipping – in altri casi (intersezione, cicli)

Algoritmo del pittore (depth sorting)

• usabile sse è

facile ordinare preventivamente le primitive – in fase di preprocessing

• Esempio: terreno come campo di altezza

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3 Rimozioni delle superfici nascoste

• Soluzione 3:

– rimuovere le superfici nascoste con un TEST PER FRAMMENTO

– algoritmo dello "Z-buffer"

• o "Depth-buffer"

Algoritmo dello zzzz----buffer buffer buffer buffer

Fr am m en ti & at tri bu ti in te rp ol at i

Ve rti ci & lo ro a ttr ib ut i Screen

buffer Ve rti ci & at tri bu ti co m pu ta ti

rasterizer triangoli set- up

rasterizer segmenti set- up

rasterizer punti set- up

co m pu ta zi on i pe r v er tic e

Depth Depth Depth Depth buffer buffer buffer buffer

co m pu ta zi on i pe r f ra m m en to

profondit profondit profondit profonditàààà di ogni pixel

RGB finale RGB finale RGB finale RGB finale per ogni pixel

Algoritmo dello zzzz----buffer buffer buffer buffer

Fr am m en ti & at tri bu ti in te rp ol at i

Ve rti ci & lo ro a ttr ib ut i Screen

buffer Ve rti ci & at tri bu ti co m pu ta ti

rasterizer triangoli set- up

rasterizer segmenti set- up

rasterizer punti set- up

co m pu ta zi on i pe r v er tic e

Depth Depth Depth Depth buffer buffer buffer buffer

co m pu ta zi on i pe r f ra m m en to

Transform.

Metti la z finale come

attributo aggiuntivo

Interpola (come tutti la z gli attributi)

per un frammento con screen coordinates (x,y), colore (r,g,b) e profondità z:

if ( z <= DepthBuffer[x,y] ) { ScreenBuffer[x,y] = (r , g , b) ; DepthBuffer[x,y] = z ; } else scarta (“discard”, “kill”) frammento

depth test

Algoritmo dello zzzz----buffer buffer buffer buffer

Fr am m en ti & at tri bu ti in te rp ol at i

Ve rti ci & lo ro a ttr ib ut i Screen

buffer Ve rti ci & at tri bu ti co m pu ta ti

rasterizer triangoli set- up

rasterizer segmenti set- up

rasterizer punti set- up

co m pu ta zi on i pe r v er tic e

Depth Depth Depth Depth buffer buffer buffer buffer

co m pu ta zi on i pe r f ra m m en to

ho ho ho

ho bisogno bisogno bisogno di bisogno di di precisione di precisione precisione!!!! precisione floats

floats floats

floats di di di di almeno almeno almeno almeno 16 o 24 16 o 24 16 o 24 16 o 24 bits bits bits bits

Algoritmo dello zzzz----buffer: buffer: buffer: buffer:

esempio

(con depth buffer ipotetico di interi a 6 bit: valori da 0 a 63) 63 63 63 63 63 63 63 63

63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63

5 5

5

5 5 5 5 5 5 5 63 5 5 5 5 5 5 63 63 5 5 5 5 5 63 63 63 5 5 5 5 63 63 63 63 5 5 5 63 63 63 63 63 5 5 63 63 63 63 63 63 5 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63

+ =

5 5 5 5 5 5 5 63 5 5 5 5 5 5 63 63 5 5 5 5 5 63 63 63 5 5 5 5 63 63 63 63 5 5 5 63 63 63 63 63 5 5 63 63 63 63 63 63 5 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63

7

2 7

5 5 5 5 5 5 5 63 5 5 5 5 5 5 63 63 5 5 5 5 5 63 63 63 5 5 5 5 63 63 63 63 4 5 5 7 63 63 63 63 3 4 5 6 7 63 63 63 2 3 4 5 6 7 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63

+ =

5 5

5 5 5

5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

7 6 7

5 7

4 7

3 7

2 7

7 6 7 5 6 7 4 5 6 7 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7

Algoritmo dello zzzz----buffer: buffer: buffer: buffer:

proprietà

• il rendering diventa “order independent” ☺!!!

• Funziona su tutto ☺ – anche su:

• Operazione per frammento – Viene svolto durante

"computazioni per frammento"

• Adatto all'implementazione HW ☺

5 5 5 5 5 5 5 63 5 5 5 5 5 5 63 63 5 5 5 5 5 63 63 63 5 5 5 5 63 63 63 63 4 5 5 7 63 63 63 63 3 4 5 6 7 63 63 63 2 3 4 5 6 7 63 63 63 63 63 63 63 63 63 63

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4 Algoritmo dello zzzz----buffer: buffer: buffer: buffer:

costi

• Costa un po’ di memoria (GPU)

– spesso: sizeof( depth buffer ) = sizeof(screen buffer ) / 2

• Problemi di aliasing sulla z

– causa problema detto: “z-fighting”

– avviene quando la precisione non è sufficiente

es., se si renderizzano due superfici parallele molto vicine

• Assume superfici del tutto opache

– problemi con le superfici semitrasparenti (come vedremo…)

• Dati condivisi in lettura e scrittura

– complicazione per chi implementa HW

– efficienza ameno in parte impattata (ma test molto ottimizzato) – è un test HardWired in GPU HardWired in GPU HardWired in GPU HardWired in GPU

Depth test, in OpenGL

• Devo abilitare il depth test:

glEnable(GL_DEPTH_TEST);

^primitive^qui

pixels tutto il pipeline

(proiezione, setup, rasterizzazione...) stato di OpenGL manipolazioni di stato (es. settare la matrice)

Posso anche decidere le condizioni per passare il test:

glDepthFunc( GL_LESS ) GL_NEVER GL_EQUAL GL_LEQUAL GL_GREATER GL_NOTEQUAL GL_LESS GL_GEQUAL GL_ALWAYS

(dafault) (dafault) (dafault) (dafault)

• Depth test: viene eseguito automaticamente alla fine del nostro fragment shader

– (se abilitato)

– motivo: è un op. critica, read/write su dati condiviso – motivo: HW deve poter fare le sue ottimizzazioni

• (es depth buffer gerarchico)

==> il fragment shader

dovrà determinare in output:

– un valore RGB, – un valore di depth un valore di depth un valore di depth un valore di depth

Depth test, in OpenGL Depth test, in OpenGL

• Il rasterizzatore produce un valore di depth di default

– per ogni frammento prodotto

– interpolando la Z dei vertici proiettati in input

• Possiamo sovrascrivere questo valore se vogliamo nel fragment shader

// fragment shader void main() {

...

gl_FragColor = ... // un vec4 gl_FragDepth = ... // un float }

assegnamento opzionale.

(ha un costo grande farlo! depth test va rimandato e alcune ottimizzazioni HW disabilitate

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