• Rasterization based

1

Paradigmi di rendering

(classi di algoritmi di rendering)

• Ray-Tracing

• Rasterization based

• Image based (per es. light field)

• Radiosity

• Point-splatting

• Photon mapping

• ...

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Paradigmi di rendering

(classi di algoritmi di rendering)

• Ray-Tracing

• Rasterization based

• Image based (per es. light filed)

• Radiosity

• Point-splatting

• Photon mapping

• ...

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Rendering Paradigm:

(Triangle (Triangle (Triangle

(Triangle----) Rasterization Based ) Rasterization Based ) Rasterization Based ) Rasterization Based

detto anche:

Transform and Lighting Transform and Lighting Transform and Lighting Transform and Lighting

( T ( T ( T ( T &&&& LLLL ))))

I. Che si usino solo

le seguenti primitive di rendering : triangoli

triangoli triangoli

triangoli,,,, segmenti segmenti,,,, segmenti segmenti punti punti punti punti

23

detto anche: Transform & Lighting

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screen buffer Punti 3D

Segmenti 3D Triangoli 3D

scheda grafica

Transform

&

Lighting ^video

24

Transform & Lighting...

• Transform :

– trasformazioni di sistemi di coordinate

– scopo: portare la scena davanti all'obiettivo della nostra macchina fotografica (virtuale)

– piazzare i triangoli visibili sullo schermo

• Lighting :

– illuminazione

• (in senso generale)

– scopo: calcolare il colore finale di ogni parte della scena

• risultante da

– le sue caratteristiche ottiche – l'ambiente di illuminazione

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Rasterization-based HW-supported rendering

• anche riferito come

Transform and Lighting (TTTT&&&&LLLL) paradigm

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Scena 3D ^rendering screen buffer

composta da primitive di composta da primitive di composta da primitive di composta da primitive di pochissimi tipi:

pochissimi tipi: pochissimi tipi:

pochissimi tipi:

• punti punti punti punti

• linee linee linee linee

MA SOPRATUTTO MA SOPRATUTTOMA SOPRATUTTO MA SOPRATUTTO

• triangoli triangoli triangoli triangoli

primitive primitive primitive primitive di di di di rendering rendering rendering rendering

26

Rasterization-based HW-supported rendering

• punto primo: tutto sia composto da triangoli tutto sia composto da triangoli tutto sia composto da triangoli tutto sia composto da triangoli (3D) – o al limite da punti, o segmenti

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x

y z

v

⁰

=( x

⁰

, y

⁰

, z

⁰

)

v

¹

⁼⁽ x

¹

, y

¹

, z

¹

⁾ v

²

=( x

²

, y

²

, z

²

)

27

2

... Rasterization-Based Rendering

• più specificatamente...

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

vertici 3D

fragment fragment fragment fragment process process process process pixels pixels pixels pixels

finali finali finali finali

"frammenti"

(fragments) transform

transform transform transform

z x

v0 v1

v2

rasterizer rasterizer rasterizer rasterizer

y

triangolo 2D a schermo

(2D screen triangle) v0 v1

v2

il lighting invece avviene insieme alla fase "transform"

e/o alla fase "fragment process"

28

... Rasterization-Based Rendering

• più specificatamente...

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vertici 3D

fragment fragment fragment fragment process process process process pixels pixels pixels pixels

finali finali finali finali

"frammenti"

(fragments) transform

transform transform transform

z x

v0 v1

v2

rasterizer rasterizer rasterizer rasterizer

y

triangolo 2D a schermo

(2D screen triangle) v0 v1

v2

carico di lavoro per vertice (sottosistema geometrico)

carico di lavoro per frammento (~per pixel)

(sottosistema raster)

29

... Rasterization-Based Rendering

• Dove è il collo di bottiglia?

– nel sistema geometrico?

• (l'applicaizone è transofrm-limited sinonimo: geometry-limited) – nel sistema raster?

• (applicaizone è fill-limited) – nel bus?

• (applicaizone è bus-limited sin: bandwidth-limited) – nella CPU?

• (applicaizone è CPU-limited)

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perché è importante scoprirlo?

come si può predirre (in teoria)?

come si può verificare in pratica?

30

Note sulla GPU odierne

• Stima delle prestazioni:

i produttori scrivono tanti numeri, tra i quali:

– Trasformazioni per secondo (sottosistema geometrico) – Fill-rate

(KB al sec, o in frammenti al secondo) – Dimensioni Memoria Video

• I primi due sono da prendersi con le molle – Sono prestazioni picco,

(nella pratica valgono solo su apposito esempio)

– ma danno un'idea

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Esercizio

• State effettuando il rendering di un modello composto da un milione di triangoli su un display con risoluzione 1280 x1024 pixel. Il rendering finale occupa l'80% del display. La scheda che state utilizzando ha una performance di 20 milioni di triangoli al secondo ed un fill-rate di 20 Mpixel al secondo.

• Qual'è il numero massimo di fotogrammi al secondo (fps) che potete ottenere?

• Il sistema è fill-limited o geometry-limited?

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Soluzione:

– 1280x1024x0.8 = 838.860,8 numero di pixels da accendere per un rendering – 20*2^20=20.571.920 numero di pixels che la scheda può rasterizzare al sec – Il sottosistema raster può produrre:

20.571.920 / 838.860,8 = 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.

₃₂

Rasterization-Based HW-Supported Rendering

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fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

Ve rti ci (p un ti in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

Ve rti ci pr oi et ta ti (p un ti in R

2

)

Z

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

rasterizer

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

componenti fisiche dell'HW!

Pipeline → Parallelismo → Efficienza

inoltre, molte componenti sono replicate

(negli stages collo di bottiglia)

Fragment proces.

Vertex porcessor

33

3

Cenni storici: nei PC...

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fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

Ve rti ci (p un ti in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

Ve rti ci pr oi et ta ti (p un ti in R

2

)

Z

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

rasterizer

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

1996

general purpose HW (con CPU)

dedicated HW (con GPU)

34

Cenni storici: nei PC...

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

fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

Ve rti ci (p un ti in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

Ve rti ci pr oi et ta ti (p un ti in R

2

)

Z

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

rasterizer

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

1997

general purpose HW (con CPU)

dedicated HW (con GPU)

35

Cenni storici: nei PC...

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

fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

Ve rti ci (p un ti in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

Ve rti ci pr oi et ta ti (p un ti in R

2

)

Z

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

rasterizer

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

1999

general purpose HW (con CPU)

dedicated HW (con GPU)

36

Rasterization-Based HW-Supported Rendering:

triangoli triangoli triangoli 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 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

fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

Ve rti ci (p un ti in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

Ve rti ci pr oi et ta ti (p un ti in R

2

)

Z

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

rasterizer

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

z y

x v0 v1

v2

set- up

v0 v1

v2

37

Rasterization-Based HW-Supported Rendering:

triangoli triangoli triangoli 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 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

fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

3 Ve rti ci (p un ti in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

3 Ve rti ci pr oi et ta ti (p un ti in R

2

)

Z

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

rasterizer triangoli

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

z y

x v0 v1

v2

set- up

v0 v1

v2

38

Rasterization-Based HW-Supported Rendering:

segmenti segmenti segmenti segmenti

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

fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

2 Ve rti ci (p un ti in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

2 Ve rti ci pr oi et ta ti (p un ti in R

2

)

Z

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

rasterizer triangoli

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

z y

x v0

v1

set- up

v0

v1

rasterizer segmenti set- up

39

4

Rasterization-Based HW-Supported Rendering:

punti punti punti punti

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

fra m m en ti (c an di da ti pi xe ls )

Ve rti ce (p un to in R

3

) pixel

finali

(nello screen-buffer)

Ve rti ce pr oi et ta to (p un to in R

2

)

Z

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

rasterizer triangoli

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

z y

x v1

set- up

v1

rasterizer segmenti set- up

rasterizer punti set- up

esempio di point "splat"

(point splatting)

40

Rasterization-Based HW-Supported Rendering:

alcune regole

1. Ogni vertice viene trasformato trasformato trasformato trasformato – proiettato da spazio 3D (spazio “oggetto”)

a spazio 2D (spazio “schermo”) – indipendentemente dagli altri vertici

• (deve poter avvenire in parallelo!) – indipendentemente da quale primitiva fa parte 2. Ogni primitiva viene rasterizzata rasterizzata rasterizzata rasterizzata in 2D

– primitiva = triangolo, segmento, o punto

• un rasterizzatore distinto per ogni tipo – indipendentemente dalle altre primitive – rasterizzare = produrre i frammenti corrispondenti 3. Ogni frammento in pos [X,Y] viene processato

– indipendentemente dagli altri frammenti – indipendentemente da quale primitiva lo ha generato – output della computazione: un pixel nello screen buffer (RGB)

• quello a pos [X,Y] (prefissata, la computazione decide solo RGB, non X,Y) 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

in p ar al le lo (in c as ca ta ) (in p ip el in e) (a c at en a di m on ta gg io )

41

Rasterization-based HW-supported rendering

• tutto sia composto da triangoli (3D) – o al limite da punti, o segmenti

•ma....

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

...non tutto nasce composto di triangoli quasi nulla

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