Aktuelle Entwicklungen in der Echtzeit Computergrafik Ralf Habel Institute of Computer Graphics and...
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Aktuelle Entwicklungen in der Echtzeit Computergrafik
Ralf Habel
Institute of Computer Graphics and Algorithms
Vienna University of Technology
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Ralf Habel 2
Ich
Post-Doc am Institut für Computergrafik und Algorithmen, TU Wien
Dissertation in Echtzeit Vegetationsdarstellung und Animation
Aktuelle Forschung: Precomputed Lighting, Computational Photography
Vorher: Physikstudium Uni Stuttgart
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Ralf Habel 3
Überblick
Was ist Echtzeitgrafik?
Evolution der Echtzeitgrafik
Vorgehen in der Echtzeitgrafik
Computerspieleindustrie
Weitere Entwicklungen in der Echtzeitgrafik
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Ralf Habel 4
Was ist Echtzeitgrafik?
Im traditionellen Sinne:Bildsynthese mit interaktiven Bildraten zur direkten Manipulation und Interaktion.
Einsatzgebiete:
Computerspiele
Virtual/Augmented Reality
Architekturvisualisierung
Datenvisualisierung
Medizinische Visualisierung
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Ralf Habel 5
Was ist Echtzeitgrafik?
Im heutigen Sinne:
Echtzeit-
Bildsynthese
Animation (Charaktere, Gesichter, Verhalten)
Simulation (Rigid Bodys, Fluiddynamik)
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Ralf Habel 6
Was ist Echtzeitgrafik?
Stark interdisziplinäres Feld:
Physik (Optik, klassische Mechanik, Fluiddynamik, Radiometrie… )
Biologie (Gesichter, Bewegungsapparat)
Psychologie (Wahrnehmung)
Neurowissenschaft (Multimodale Effekte)
Sämtliche angewandte Mathematik wird eingesetzt
Vektor/Matrixalgebra, Analysis, Funktional-analysis, Geometrie …
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Ralf Habel 7
Grundlagen der Echtzeitgrafik
Einsatz von paralleler spezialisierter Hardware (Graphics Processing Unit: GPU) ermöglicht sehr schnelle Datenverarbeitung
mehrere hundert Cores (Prozessoren) parallel
Sehr schneller RAM Zugriff durch dedizierten Speicher (GPU RAM)
Hardwareunterstützung von speziellen mathematischen Methoden (Transformationen, Lichtberechnungen, Filterung)
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Vienna University of Technology 8
Mooresches Gesetz für CPUs
Gordon Moore, 1965Exponentielles Wachstum der TransistoranzahlVerdopplung alle 18 Monate Jährliches Wachstum von: 1.6
Stagniert im Moment, Verschnellerung durch mehrere Cores (Parallelisierung).
(Logaritmische Achse)
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Vienna University of Technology 9
Mooresches Gesetz für GPUs
Fast Mooresches Gesetz quadriertPerformanz verdoppelt sich alle 9-12 Monate
Grund: Hardware Parallelisierung is einfach, Echtzeitgrafik ist ein hochparalleles Problem
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Vienna University of Technology 10
Evolution der Echtzeitgrafik
AMD Radeon HD 6970November 2010
2.7 TeraFLOPS2 Gigabyte RAM(1 Terabyte Storage)0.03 Quadratmeter
ASCI RedSchnellster Supercomputer 1999
3.1 TeraFLOPS1616 Gigabyte RAM12.6 Terabyte Storage212 Quadratmeter
Schnellster Supercomputer 2011 Tianhe-1 :4.7 PetaFLOPS14336 CPUs and 7168 GPUs.
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Vienna University of Technology 11
Erste Generation – Wireframe
Vor 1987Transformation und Projektion von Modellen
Farbinterpolation
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Vienna University of Technology 12
Zweite Generation – Schattierung
1987-1992 Vollstaendige Dreiecke, Tiefeninterpolation
Einfache Lichtberechnungen
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Vienna University of Technology 13
Dritte Generation – Texture Mapping
1992-2000Texturen, Texturkoordinaten
Texturfilterung
Mehrfachtexturierung
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Vienna University of Technology 14
Vierte Generation – Programmierfähigkeit
ProgrammierfähigkeitVon Modelltranform-ationen (Animation, Simulation)
Lichtberechnungen(Schatten, Oberflächen, globale Beleuchtung)
Ermöglicht eine Vielzahlan Methoden und Effektenund deren Kombination
Nahezu photorealistisch
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Vienna University of Technology 15
Beispiele
Quake (1996)10-20 Echtzeitmethoden
Crysis 2 (2011)Hunderte an Methoden
Ca. 1000 fach komplexere Geometrie und Texturen
Video
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Vienna University of Technology 16
Vorgehen in der Echtzeitgrafik
Echtzeitgrafik nutzt eingeschränkte und leicht täuschbare menschliche Perzeption
Simplifizierende Tricks zur Darstellung von zu komplexen Objekten und Effekten.
Beispiel: BäumeHochkomplexe Geometrie
tausende an Ästen, zehntausende BlätterHochkomplexe Bewegung
hierarchische Bewegung der Äste, Einzelbewegung der Blätter
Vollständig korrekte Darstellung zu resourcenintensiv für heutige Computerspiele
Nur 10-30% der Gesamtresourcen können für Vegetation benutzt werden
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Vienna University of Technology 17
Bäume in der Echtzeitgrafik
Zu komplexe Geometrie wird auf wenige, grosse texturierte Flächen reduziert:
Vollständige Korrektheit nicht wahrnehmbar auf EntfernungFehler und Artefakte werden akzeptiert oder ignoriert ohne direkte korrekte Referenz
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Bäume in der Echtzeitgrafik
Video
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Vienna University of Technology 19
Bäume in der Echtzeitgrafik
Akademischer Stand der Technik Nahezu vollstaendige Nutzung einer modernen GPUSchnellste/beste Methoden
Physikalisch basierter Ansatz erlaubt:Vollständiges BaummodellSchnelle Animation aller Äste und BlätterKorrekte dynamische Beleuchtung und Schattierung (Transluzenz, Blattflächen)
Kein Bruch der Illusion auch bei Nahaufnahmen
Kommerzielle Einsatzfähigkeit in ca. 1-2 Jahren
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Vienna University of Technology 20
Bäume in der Echtzeitgrafik
Video
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Vienna University of Technology 21
Computerspiele Industrie
Überholte Filmindustrie 2007-2008Globale Einnahmen ~60 Milliarden $ (Film ~50 G$)
Marktdynamik vergleichbar mit Filmindustrie:
AAA Computerspiel100-350 Millionen $
Rekord: 7 Millionen Einheiten von CoD: Modern Warfare 2 verkauft in 24 h (350 M $)
Blockbuster Film150-270 Millionen $
Rekord: Best Opening Weekend:The Dark Knight (158 M $)
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Vienna University of Technology 22
Computerspiele Industrie
Echtzeit Bildsynthese ist eine Frage der Computer-resourcen und deren intelligente Ausnutzung
Nicht vollständig Datenabhängig
Aber: Content (Charaktere, Levels, Animationen, Texturen…) muss von 3D Artists von Hand erstellt werden
Content, nicht Methodik bestimmt visuelle Qualität
Prozedurale und automatisierte Erstellung von Content wird immer wichtiger (auch als akademisches Feld)
Programmierer : 3D Artist ~ 1:10
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Vienna University of Technology 23
Computerspiele Industrie - Beispiel
GesichtsanimationPerzeption reagiert auf kleinste Fehler in der AnimationFehler nicht nur störend, sondern illusionszerstörend durch direkten emotionalen Bezug zu Gesicht (im Gegensatz zu Bäumen)
“Uncanny Valley” -Problem
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Vienna University of Technology 24
Beispiele
Mass Effect 2 (2010)3D Artist erstellteGesichtsanimation
L.A. Noire (2011)Motion capturedGesichtsanimationvon Schauspielern
Video
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Vienna University of Technology 25
Weitere Entwicklungen der Echtzeitgrafik
Auflösung sämtlicher Restriktionen in den Berechnungen
Bisher: Restriktive Schnittstellen (OpenGL, DirectX)In Zukunft: allgemeiner paralleler Prozessor
Alles ist erlaubtMethoden aus offline Rendering (Film, Visual Effects) fliessen in die Echtzeitgrafik ein
Ray Tracing, Higher Order Surfaces…
“billige” Tricks werden durch akuratere Methoden ersetzt
Film- und Spiel- Grafik konvergieren
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Vienna University of Technology 26
Weitere Entwicklungen der Echtzeitgrafik
Beispiel Ray TracingBisher in Film und Visual EffectsMonte Carlo Simulation von Strahlen
Erlaubt physikalisch akkurate Simulation von Oberflächen und Licht
Aber sehr rechenaufwändigAktuelle CPUs und GPUs bereits schnell genug für sehr einfache SzenenAber nicht schnell genug um mit bisherigen Methoden zu konkurrierenGPUs mit direkter Ray Tracing Unterstützung bereits in Entwicklung
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Vienna University of Technology 27
Beispiele
Video
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Vienna University of Technology 28
Weitere Entwicklungen
Nur leichte Abflachung des Geschwindigkeits-zuwachses in der Hardwareentwicklung
2013: 15 TeraFLOP GPUs
Vereinigung von CPU+GPU auf einem ChipAMD Fusion und intel Sandybridge (i5/i7) bereits auf dem Markt
Computerspieleindustrie immer noch im 2 stelligen Wachstumsbereich
Echte Kinoqualität in Spielen in ca. 10 Jahren
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Vienna University of Technology 29
Weitere Entwicklung der Echtzeitgrafik
GPU wird integraler Bestandteil einer CPU als paralleler Prozessoranteil (APUs)
Echtzeitgrafik nur spezielles paralleles Problem
Beschleunigung sämtlicher Berechnungen im Consumer Bereich
Heute bereits über CUDA und OpenCL möglich
Im Supercomputer-Bereich bereits etabliert
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Vienna University of Technology 30
Pixel 6
3 tägige internationale Computergrafikkonferenz in Wien
ca. 400 TeilnehmerFachvorträge über
FilmproduktionVisual EffectsGames…
Von Pixar, ILM, Disney, Crytek, Lucasfilm …
Nur 45 Euro Eintritt!
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Vienna University of Technology 31
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