Grafica Computazionale

Grafica Computazionale

• docente: Marco Tarini

e-mail: [email protected]

• ricevimento:

merc ore 14:30, e dopo ogni lezione, e su appuntamento

• pagina del corso:

1. google for: “Marco Tarini”

2.
il primo link sono io 3.
tab “teaching” (in basso!) 4.
“Computer Graphics 12/13”

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Strumenti necessari

• Un po' di matematica

– Algebra lineare: calcolo matriciale

• (matrici 3x3 o 4x4)

• Un po' di algoritmica

– Es. saper valutare la complessità asintotica

• Un po' di voglia

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Grafica Computazionale

Marco Tarini Università dell’Insubria

Facoltà di Scienze MFN di Varese Corso di Laurea in Informatica Anno Accademico 2012/13

Lezione I: intro e applicazioni

3

Una definizione

Grafica Computazionale

en: Computer Graphics (CG)

la disciplina che studia

come modellare e visualizzare informazioni su un dispositivo di output video

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Computer Graphics: 3D

• In termini generali:

1. Modellazione di entità (tipicamente) tridimensionali 2. Sintesi di immagini a partire da queste

• Campo molto vasto

– questo è solo un corso introduttivo – copriremo solo una piccola parte

• Campo in rapido progresso – da una trentina d'anni!

– ha subito alcune importanti rivoluzioni di paradigma – questo corso dà un'infarinata dello stato attuale

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Computer Graphics: vicini di casa

Algoritmi e strutture dati

(e cosa mai ne può prescidere?)

Architetture HW

perché CG ruota intorno all’HW specializzato

Geometria Computazionale (“computational geometry”) algoritmi per problemi con immediata interpretaz “geometrica”

Computer Vision

in un certo senso, il problema inverso della CG

Image Processing

sulla sponda 2D

Parallel Computing

in stretto rapporto con gli algoritmi di rendering

Interactive techniques (HCI - interfaccia uomo macchina)

GUI: Graphics User Interfaces

Scientific Visualization (and Data Visualization) usa la CG come strumento base

UTILIZZATEDALLACGLIMITROFEALLACGUTILIZZANOLACG

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CG: gli strumenti tecnologici

• Interfacce – di input:

• tastiera, mouse

• gloves, trackballs, gamepads,

• tracked devices (es vedi nintendo Wii)

• … – di output:

• monitor, proiettore

• sistemi di proiettori multipli

• 3D video sistems

• ...

– di input + ouput:

• haptic interfaces

• caschetto VR

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Computer Graphics: applicazioni

• Cultural heritage – musei virtuali – supporto al restauro – supporto all’analisi – monitoring

• Medicina

– supporto alla diagnosi – telechirurgia – simulazioni

• Architetturali – Supporto al design – Previews

• …

• Videogiochi

• Cinematografia – Visual effects – Film di animazione

• Scientific Visualization

• Manufacturing industry – e.g. Computer Aided Design

• Telecommunications – Personalized Avatars – E–commerce

• Virtual Reality – e augmented reality

Computer Graphics: applicazioni

• Visualizzazione Scientifica – aka: SciVis , visual data analysis ...

(TACC Scientific Visualization group)

(Pittsburg Supercomputing center) (NASA)

• Visualizzazione di dati scientifici

• fenomeni meteorologicici, medici, biologici, chimici, fisici, astrofisici, etc etc

• Origine dei dati:

• l’output di una simulazione

• acquisiti con qualche sistema di misura

Tipicamente: grandi quantità di dati

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Visualizzazione Scientifica

Onde gravitazionali durante una collisione di buchi neri

(Max Planck Insitute for Gravitational Physics) Rhinovirus 3 protein

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Visualizzazione Scientifica

• Visualizzazione Scientifica – aka: SciVis ,

visual data analysis ...

(superficie di un vetro -- Nanorobotics Lab (Carnegie Mellon University )

(Pittsburg Supercomputing center) (NASA)

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Visualizzazione Scientifica

• Visualizzazione Scientifica – aka: SciVis , visual data analysis ...

(Pittsburg Supercomputing center)

(NASA) 12

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parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi VS

• dati astratti (N dimensionali)

• Scopo:

chiarezza/leggibilità

• Mezzi:

i più vari

13

Scientific Visualization

• dati con un interpretazione 3D “naturale”

– spesso:

+ dimensione tempo

• Scopo:

chiarezza/leggibilità

• Mezzi:

realismo, oppure …

Data Visualization

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi VS

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Scientific Visualization Data Visualization

Simulaz.

relazione fra due fluidi di densità diverse

Computer Graphics: applicazioni

• Cultural heritage – musei virtuali – supporto al restauro – supporto all’analisi – monitoring

• Medicina

– supporto alla diagnosi – telechirurgia – simulazioni

• Architetturali – Supporto al design – Previews

• …

• Videogiochi

• Cinematografia – Visual effects – Film di animazione

• Scientific Visualization

• Manufacturing industry – e.g. Computer Aided Design

• Telecommunications – Personalized Avatars – E–commerce

• Virtual Reality – e augmented reality

Computer Graphics: applicazioni

• applicazioni medicali – supporto alla diagnosi

• e.g. visualizz. CAT scans – chirurgia virtuale – tele-chirurgia

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Computer Graphics: applicazioni

• Industria Manifatturiera – CAD

– Rapid Prototyping – Simulazioni

di funzionamento – Defect detection – …

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Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: movie industry – visual effects (non special fx)

Jurassic Park - Universal Studios 1993M 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 2 / 1 3 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a Star Wars: The Phantom Manace - Lucasart 1999 19

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

Effetti Visuali VS Effetti Speciali

• (in post-produzione) (sul set)

(es: stuntmen, corde, esplosioni, …)

20

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: movie industry – CG shorts

Luxo Jr - Pixar 1986 Geri's Game - Pixar 1997

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Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: movie industry – CG shorts

– Feature movies

Toy Story - Pixar 1995

Geri's Game - Pixar 1997

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Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment:

movie industry – Feature movies

fotorealistici

Final Fantasy – Squaresoft 2001

Final Flight Of the Osiris – Squaresoft 2003M 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 2 / 1 3 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a Avatar – ILM 200923

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi

Uncanny valley

24

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi

– forza trainante del settore (crederci o no) ...

Battlezone – Atari 1980M 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 2 / 1 3 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a Tailgunner - Cinematronics 197925

Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi

– forza trainante del settore (crederci o no) ...

Doom – IDsoft 1993

Virtua Fighter - Sega 1993 26

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Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi

– forza trainante del settore (crederci o no) ...

Doom 3- ID soft 2004

World of Warcraft,

Blizzard Entertainment 2004 27

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Computer Graphics: applicazioni

• Entertainment: giochi

World of Warcraft, Blizzard Entertainment 2004

variM 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 2 / 1 3 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a 28

Computer Graphics: applicazioni

• Beni Culturali – Presentazione

• musei virtuali

• cataloghi di musei reali

• supporto alla didattica

• documentaristica...

– Supporto al restauro

• Modello 3D come GIS

• Simulazioni...

– Studio

• Analisi dei dati

• vedi SciVis

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Beni Culturali

• Uso:

– fruizione (musei virtuali..) – documentaristica – didattica – monitoraggio

• Mezzi:

– acquisizione della forma ( 3DScanning ) – acquisizione del colore

– Tecniche di visualizzazione di grandi moli di dati (multiresolution, out of core rendering)

Visual Computing Lab – ISTI-CNR Pisa

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Beni Culturali: Fruizione

• Chioschi: supporti multimediali ai musei tradizionali

– PC + video, l’utente esamina le opere, legge note informative – esempi: il Davide di Michelangelo alla Galleria dell’Accademia di Firenze – esempi: Il monumento funebre di Arrigo VII all’Arcivescovado

• Diffusione via rete

– L’utente visita un museo (o una singola opera) dal PC di casa

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Beni Culturali: Fruizione

• Beni Culturali

– musei virtuali

– supporto multimediale musei tradizionali

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Computer Graphics: applicazioni

• Beni Culturali

– presentazione in rete

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Beni Culturali: Restauro

• Il restauratore si faceva fare degli schizzi su carta dell’opera da restaurare per fare una mappa degli interventi: col il modello virtuale può gestire tutto su PC

• Acquisizione dell’opera prima e dopo il restauro e confronto geometrico delle differenze

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Computer Graphics: applicazioni

• Beni Culturali

– modello 3D come "GIS"

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Beni Culturali: Studio

• ES: Simulazione caduta contaminanti

15 degrees 5 degrees

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Beni Culturali: Monitoraggio

• es: monitorare nel tempo la variazioni sui materiali deformabili

foresta di Dunarobba

http://www.forestafossile.it/public/new/

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Beni Culturali: i mezzi

oggetto reale Rappresentazione digitale

Strumento di acquisizione

processing dei dati

• Acquisizione della forma geometrica (3D scanning)

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Beni Culturali: i mezzi

• Acquisizione della forma geometrica

(es: 3D scanning)

Visual Computing Lab – Stanford Uni 2000

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Beni Culturali: i mezzi

• Acquisizione del colore – semplici fotografie

• approssimato, dipende dalla luce

– Tecniche di calcolo della BRDF

Ci torniamo sopra con calma

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Computer Graphics: applicazioni

• Cultural heritage – musei virtuali – supporto al restauro – supporto all’analisi – monitoring

• Medicina

– supporto alla diagnosi – telechirurgia – simulazioni

• Architetturali – Supporto al design – Previews

• …

• Videogiochi

• Cinematografia – Visual effects – Film di animazione

• Scientific Visualization

• Manufacturing industry – e.g. Computer Aided Design

• Telecommunications – Personalized Avatars – E–commerce

• Virtual Reality – e augmented reality

Computer Graphics: applicazioni

• Architettura:

– supporto al design

ArchiCAD (Graphsoft)

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Computer Graphics: applicazioni

• Architettura:

– preview:

• comunicazione

• assessment

Brazil – SputterFish 43

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Summary

• Grafica Computazionale (Computer Graphics - CG ):

– molteplici applicazioni

– medicali – industriali – beni culturali – militari  – telecomunicazioni – commerciali

– ricerca scientifica (scivis) – intrattenimento: games – intrattenimento: movies – e altro (realta' virtuale....)

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Computer Graphics interattiva: schema ricorrente

applicazione interattiva informazione modellazione

rappresentazione adeguata

(per...)

Immagine/i

rendering /visualizzazione

preprocessing modelling

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esempio: acquisizione 3D per beni culturali

chiosco museale Statua reale Range scanning

(scansione laser) Mesh poligonale 3D

Immagine/i

rendering

Semplificazione, flitering…

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esempio: games

videogame Artista

(conent creator) modellazione manuale

(e.g. 3Dstudio max, Maya, Blender…)

Mesh low-poly + textures

Immagine/i

rendering /visualizzazione

semplificazione, u-v mapping, rigging…

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esempio: sci-vis analisi di un terremoto

applicaz interattiva Modello

matematico

del terremoto Simulazione fisica

Campo di altezza (time-varying)

Immagine/i

rendering /visualizzazione

processing vari…

(es color-coding)

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Rendering

• Parola utilizzata in molti contesti

Modello rendering Immagine

descritto da un insieme di primitive

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Rendering

• Esempio: nei web browser

la pagina come un’immagine

rendering

...

testo in HTML

(+ immagini, ccs, etc)

modello della pagina WEB

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Rendering

• Rendering 3D

Scena 3D ^rendering Immagine

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Rendering

• Rendering 3D

Immagine Scena 3D ^rendering

...

modello 3D

• punti 3D

• primitive...

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Algoritmi di Rendering

• Due tipi:

– On-Line Rendering

• Interattivo: circa 1 – 10 frames per sec ("fps")

• Real-Time: circa 10-100 fps – Off-line Rendering

• Tipicamente: da minuti ad ore per fotogramma

• Molto differenti:

– nelle applicazioni – nei vincoli

– nella qualità visiva raggiunta (e.g. fotorealismo) – negli algoritmi e SD usate

insomma: approcci diversi, mondi diversi.

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Real Time VS Offline rendering

• Distanza si accorcia

Jurassic Park - Universal Studios 1993

real time

1993

Virtua Fighter - Sega 1993

Jurassic Park - Universal Studios 1993

offline

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Real Time VS Offline rendering

• Distanza si accorcia

Jurassic Park - Universal Studios 1993

Final Fintasy – Squaresoft 2001 nVIDIA tech demo at SIGGRAPH 2001

nVIDIA quadro

2001

real time offline

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Real Time VS Offline rendering

• Distanza si accorcia

Jurassic Park - Universal Studios 1993

2007

GPUGems III, d'Eon & Luebke (NVidia), 2007

real time offline

Spiederman 3– Squaresoft 2007

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Rendering

• Rendering 3D

Scena 3D ^rendering Immagine

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Immagine: su che display hardware ?

• Su un monitor, naturalmente!

• Il tubo catodico: un fascio di elettroni viene diretto su una superficie coperta di materiale fosforescente

– Display vettoriali:

il fascio veniva pilotato direttamente in maniera totalmente libera

– Display CRT:

raster linea per linea,

si spazza tutto lo schermo un certo numero di volte al secondo (refresh rate)

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Immagine: su che display hardware ?

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1984(Bomb jack – Tehkan)

Display vettoriali

Display CRT

Frame buffer

• Una porzione di memoria dedicata alla memorizzazione dell’immagine

– come array 2D di pixel da mostrare a video.

• Caratteristiche:

– Risoluzione (numero di pixel)

• Range tipici 320x200 .. 1600x1200 – Profondità (bit per pixel)

• Range tipici 1 .. 32 (128)

• Divisi in tipicamente 4 (o 3) canali ( R, G, B e Alpha)

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Rendering…

• Ci occuperemo principalmente di:

Real Time 3D Rendering Real Time 3D Rendering Real Time 3D Rendering Real Time 3D Rendering

Scena 3D rendering Immagine

screen buffer screen buffer screen buffer screen buffer ( array 2D di pixel ) N volte al sec

N volte al sec N volte al sec N volte al sec ( es N=60 )

dal resto dell' applicazione

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Real Time 3D Rendering

Problema challanging! per esempio:

• pixel pixel pixel pixel = 32 bit = 4 bytes ("pixel depth")

• screen buffer screen buffer screen buffer screen buffer = 1024 x 768 pixels ("screen resolution")

• frame rate frame rate frame rate frame rate = 60 Hrz ("fps")

188 MegaBytes 188 MegaBytes 188 MegaBytes 188 MegaBytes / / / / sec sec sec sec

(in questo esempio) (in questo esempio) (in questo esempio) (in questo esempio)

• total total total total = 4 x 1024 x 768 x 60 byte al sec ("fill-rate", in bytes )

(e (e (e

(e mancano mancano mancano altri mancano altri altri altri fattori fattori fattori moltiplicativi fattori moltiplicativi moltiplicativi moltiplicativi, come depth complexity, , come depth complexity, multipassate , come depth complexity, , come depth complexity, multipassate multipassate multipassate… … … vedremo … vedremo vedremo vedremo))))

₆₂

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Real Time 3D Rendering

• Fill-rates molto elevati – Anticipazione:

...e il fill-rate non è sempre il collo di bottiglia – Anticipazione 2:

...e questa è una sottostima del fill-rate.

• manca il fattore depth-complexity ~ x2.5 (come vedremo...)

• sono piu' di 32 bit x pixel

• C'è bisogno di muscoli potenza di calcolo

~

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Real Time 3D Rendering

• Problema difficile – fortunatamente,

processo massicciamente parallelizzabile – "embarrassingly parallel"

• Ingrediente base della soluzione:

hardware specializzato hardware specializzato hardware specializzato hardware specializzato

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dunque, questo corso...

...è un corso (introduttivo) di:

Real Real Real

Real----Time Time Time Time Hardware Hardware Hardware

Hardware----Based Based Based Based 3D Rendering 3D Rendering 3D Rendering 3D Rendering

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Non ci occuperemo di altri aspetti della CG:

(sono solo 6 CFU  )

• Altri paradigmi di rendering

– es. offline rendering, radiosity, global illumination, raytracing…

• Data representation

– es. volumetric data, polygonal meshes, NURBS, splines, subdivision surfaces, LODs, multiresolution structures…

• 3D acquisition (catturare modelli 3D dalla realtà)

– es . “shape from shading (silhouettes)”, range scanning, BRDF acquisition…

• Modellazione di superfici

– es. surface simplification, filtering, denoising, parametrization…

• Image-based rendering + modelling – es. light fields, mixed representations,

• Applicazioni specifiche della CG

– es. scientific or data visualization, beni culturali, games

• Animation techniques

– es. keyframing, cinematica diretta /inversa, skeletal animations, rigging…

• GP-GPU, o CUDA, o OpenCL

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Libri di testo?

• Fondamenti di Grafica tridimensionale interattiva Fondamenti di Grafica tridimensionale interattiva Fondamenti di Grafica tridimensionale interattiva Fondamenti di Grafica tridimensionale interattiva

Scateni, Cignoni, Montani, Scopigno McGraw Hill Companies

• Real Real Real Real----Time Rendering Time Rendering Time Rendering Time Rendering (2nd Edition) Tomas Moller & Eric Haines

– una manuale che comprende molto di quello che facciamo nel corso,

…e molto altro

• Vector Math for 3D Computer Graphics Vector Math for 3D Computer Graphics Vector Math for 3D Computer Graphics Vector Math for 3D Computer Graphics

– un compendio molto semplice ed introduttivo di alcune nozioni base – disponibile in rete, con tutorials

• Altre risorse: wikipedia, tutorials OpenGL online

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