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Marco Tarini - Computer Graphics -Lez 1
Univ Insubria 2016/2017 1
Computer Graphics
• me: Marco Tarini e-mail: [email protected]
• Consulting hours : after each lecture,or, contact me
• course web page: 1. google for: “Marco Tarini”2. � follow 1st link (that’s me)3. � tab “teaching” (page bottom!)4. � “Computer Graphics 16/17”
1M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
Computer Graphics
Marco Tarini
Università dell’Insubria
Corso di Laurea in Informatica
Anno Accademico 2016/17
Lez 0: Intro and applications
2
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Needed tools
• A bit of math– Linear Algebra:
• esp. vector, matrices (3x3 or 4x4)
• A bit of algorithms– E.g. evaluating the complexity of an algo
• A lot of willingness to learn
3M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
A definition
CG: Computer Graphicsa sub-field of computer science which studies methods for digitally synthesizing and manipulating visual content.
CGI: Computer Generated Imagery
4M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Computer Graphics: 3D
• In general terms:1. Digital modelling of (generally) 3D entities2. From those, to synthetic images
• A large fields– this is an introductory course
• Rapidly advancing field– in the last ~ three dozens years
5M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
CG: technologies
• HW– input:
• keyboard, mouse• gloves, trackballs, gamepads, • tracked devices (e.g. nintendo Wii)• scanning device (e.g. xbox kinect)• …
– output: • monitors, projectors• multiple projector systems• stereo (“3D”) video systems • holographic displays• ...
– input + ouput:• haptic interfaces• VR / oculus rift
6M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Scientific fields surrounding Computer GraphicsAlgorithms and Data Structures
(like anything in computer science?)Hardware architectures
as CG uses a lot of dedicated hardware (“GPU”)Computational Geometry
algorithms for tasks with an immediate geometric interpretationComputer Vision
robotic vision, in a sense, the inverse problems of CGImage Processing
the cousin on the 2D sideParallel Computing
because they reuse the dedicated hardware designed for CGInteractive techniques (HCI – human computing interaction)
GUI: Graphics User InterfacesScientific Visualization (and Data Visualization)
uses CG at its core
FIEL
DS
USE
DBY
CG
FIEL
DS
BOU
ND
ING
CG
FIEL
DS
USI
NG
CG
7M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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
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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
misuraTipicamente: 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)12M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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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
14
Scientific Visualization Data Visualization
Simulaz.
relazione
fra due fluidi
di densità diverse
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Data Visualzion: an early example
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Charles Minard, 1869: Napoelon Campaign
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
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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 1993Star Wars: The Phantom Manace - Lucasart 1999 20M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi
parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi
Effetti Visuali VS Effetti Speciali
• (in post-produzione)(sul set)(es: stuntmen, corde, esplosioni, …)
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Computer Graphics: applicazioni
• Entertainment: movie industry– CG shorts
Luxo Jr - Pixar 1986 Geri's Game - Pixar 1997
22M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
Computer Graphics: applicazioni
• Entertainment: movie industry– CG shorts– Feature movies
Toy Story - Pixar 1995
Geri's Game - Pixar 1997
23M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Computer Graphics: applicazioni
• Entertainment: movie industry– Feature movies
fotorealistici
Final Fantasy – Squaresoft 2001
Final Flight Of the Osiris – Squaresoft 2003 Avatar – ILM 200924M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi
parentesi parentesi parentesi parentesi parentesi
Uncanny valley
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Computer Graphics: applicazioni
• Entertainment: giochi– forza trainante del settore (crederci o no) ...
Battlezone – Atari 1980Tailgunner - Cinematronics 197926
Computer Graphics: applicazioni
• Entertainment: giochi– forza trainante del settore (crederci o no) ...
Doom – IDsoft 1993
Virtua Fighter - Sega 1993 27
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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 28
GTA -
Computer Graphics: applicazioni
• Entertainment: giochi
29World of Warcraft,
Blizzard Entertainment 2004vari
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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
30M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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
31M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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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
32M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
Beni Culturali: Fruizione
• Beni Culturali– musei virtuali– supporto multimediale musei tradizionali
33M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Computer Graphics: applicazioni
• Beni Culturali– presentazione in rete
34M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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
35M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Computer Graphics: applicazioni
• Beni Culturali– modello 3D come "GIS"
36M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
Beni Culturali: Studio
• ES: Simulazione caduta contaminanti15 degrees5 degrees
37M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Beni Culturali: Monitoraggio
• es: monitorare nel tempo la variazioni sui materiali deformabili
foresta di Dunarobbahttp://www.forestafossile.it/public/new/
38M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
Beni Culturali: i mezzi
oggetto reale Rappresentazione digitale
Strumento di acquisizione
processing
dei dati
• Acquisizione della forma geometrica (3D scanning)
39M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Beni Culturali: i mezzi
• Acquisizione della forma geometrica (es: 3D scanning)
Visual Computing Lab – Stanford Uni 2000
40M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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)
43M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Computer Graphics: applicazioni
• Architettura:– preview:
• comunicazione• assessment
Brazil – SputterFish 44M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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....)
45M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Computer Graphics interattiva: schema ricorrente
applicazione interattiva
informazionemodellazione
rappresentazioneadeguata
(per...)
Immagine/i
rendering/visualizzazione
preprocessing
modelling
46M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
esempio: acquisizione 3D per beni culturali
chiosco museale
Statua reale Range scanning(scansione laser)
Mesh poligonale 3D
Immagine/i
rendering
Semplificazione,flitering…
47M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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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…
48M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
esempio: sci-vis analisi di un terremoto
applicaz interattiva
Modellomatematico
del terremoto Simulazione fisica
Campo di altezza(time-varying)
Immagine/i
rendering/visualizzazione
processing vari…(es color-coding)
49M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Rendering
• A very general term
Something Imagerendering
50M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
Rendering
• Example: in web browsers
the image appearing inthe browser
rendering
...
HTML page + images, ccs, etc(which models a Web Page)
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Rendering
• In our case
3D Scene Image3D renderingultimately,composed by a set of primitives
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rasterized:a 2D grid ofpixels
Rendering
• Rendering 3D
ImmagineScena 3D
...
3D model• 3D point• primitives...
53M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
3D rendering
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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 usateinsomma: approcci diversi, mondi diversi.
54M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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
55M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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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
56M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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
57M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Rendering
• Rendering 3D
Scena 3D rendering Immagine
58M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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)
59M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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Immagine: su che display hardware?
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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a 60
1980 (Asteroids – Atari )
1984 (Bomb jack – Tehkan)
Display vettoriali
Display CRT
Frame buffer
• Una porzione di memoriadedicata alla memorizzazionedell’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
Scena 3D rendering Immagine
screen buffer( array 2D di pixel )
N volte al sec( es N=60 )
dal resto dell' applicazione
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Real Time 3D Rendering
Problema challanging! per esempio:
• pixel = 32 bit = 4 bytes ("pixel depth")
• screen buffer = 1024 x 768 pixels ("screen resolution")
• frame rate = 60 Hrz ("fps")
188 MegaBytes / sec(in questo esempio)
• total = 4 x 1024 x 768 x 60 byte al sec ("fill-rate", in bytes)
(e mancano altri fattori moltiplicativi, come depth complexity, multipassate… vedremo)63M 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 6 / 1 7 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a
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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
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dunque, questo corso si occupa sopratto di...
Real-Time Hardware-Based
3D Rendering
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Ci occuperemo poco (o nulla) 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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Text books
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Text books
• Fondamenti di Grafica tridimensionale interattivaScateni, Cignoni, Montani, ScopignoMcGraw Hill Companies– non aggiornato ma… in italiano
• Real-Time Rendering (2nd Edition)Tomas Moller & Eric Haines– un manuale che comprende molto di quello che facciamo nel corso,
…e molto altro
• Vector Math for 3D Computer Graphics– un compendio di alcune nozioni base di matematica– disponibile in rete, con tutorials (google for it)
• Altre risorse: wikipedia, tutorials OpenGL / WebGL online
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