Architettura di OGL e pipe-line Daniele Marini Corso Di Programmazione Grafica

2 Pipeline - 1 Funzione principale della pipeline di rendering è generare (renderizzare) unimmagine bidimensionale, dati: – una foto camera virtuale, –oggetti tridimensionali, –sorgenti di luce, –modelli di illuminazione, –texture ed effetti –ecc….

3 Pipeline - 2 Fasi concettuali: Ogni fase può essere a sua volta una pipeline. Lelemento della pipeline più lento determina la velocità di rendering (misurata in frames per second, o fps ). ApplicationGeometryRasterizer

4 Application stage - 1 E sempre implementata via software Quindi il programmatore ha pieno controllo dellimplementazione Non è suddivisa in ulteriori pipeline Può essere eseguita in parallelo su numerosi processori per aumentare le prestazioni

5 Application stage - 2 Processi normalmente considerati e implementati in questa fase: –Collision detection –Input da joystick, tastiera, mouse, ecc…. –Geometry morphing, animazione via trasformazioni, ecc….. –Algoritmi di accelerazione Alla fine di questi processi la geometria viene inviata allo stadio successivo.

6 Geometry stage In questa fase viene eseguita la maggior parte di operazioni sui poligoni e sui vertici. E normalmente suddivisa in questo modo: ApplicGeomRast Model and View Transform LightingProjectionClipping Screen Mapping

7 Model and View Transform - 1 In questa fase vengono applicate le trasformazioni ai vertici e alle normali della geometria passata dall Application stage. Dopo lapplicazione delle trasformazioni, si dice che la geometria è descritta in coordinate mondo ( world coordinates ).

8 Model and View Transform - 2 In questa fase vengono applicate anche le trasformazioni di vista. Lo scopo è facilitare le proiezioni e il clipping, posizionando la camera virtuale nellorigine e facendola guardare lungo lasse negativo delle z ( prospettiva canonica ). Dopo lapplicazione di queste trasformazioni, si dice che la geometria è descritta in coordinate occhio o camera ( camera coordinates o eye coordinates ).

9 Lighting and Shading In questa fase normalmente vengono applicati modelli di illuminazione che cercano di simulare linterazione tra luce e materiali dei modelli della scena. In grafica real-time vengono utilizzati normalmente modelli di illuminazione locali, che calcolano il colore di un vertice considerando il materiale delloggetto, la posizione del vertice e la sua normale, e la posizione della luce.

10 Projection - 1 In questa fase il volume di vista viene trasformato in un cubo con estremi in: (-1,-1,-1) e (1,1,1), chiamato volume di vista canonico. Esistono due tipi di proiezione: –Ortografica (o parallela): il volume di vista è un parallelepipedo, linee parallele rimangono parallele. –Prospettica: il volume di vista è un tronco di piramide a base rettangolare (frustum), linee parallele possono convergere allorizzonte.

11 Projection - 2 Proiezione ortografica

12 Projection - 3 Proiezione prospettica

13 Projection - 4 Le proiezioni, come le trasformazioni di modellazione e di vista, sono rappresentate da matrici 4x4. Dopo lapplicazione della proiezione, si dice che la geometria è descritta in coordinate dispositivo normalizzate ( normalized device coordinates ).

14 Clipping Solo le primitive interamente o parzialmente dentro il volume di vista devono essere passate al rasterizer stage. Le primitive in parte dentro il volume vanno clippate per eliminare le parti fuori dal volume.

15 Screen mapping Questa fase consiste nel mappare le coordinate tridimensionali (x,y,z) dei vertici nel cubo di lato unitario in coordinate bidimensionali (x,y) della finestra sullo schermo. Le coordinate z non sono modificate. Le coordinate (x,y) sono dette coordinate schermo ( screen coordinates ). Le coordinate schermo insieme alle coordinate z sono dette coordinate finestra ( window coordinates )

16 Riassunto coordinate Model and View Transform LightingProjectionClipping Screen Mapping World Coord. 3D World Coord. 4D (Omogenee) Normalized Device Coord. 4D (Omogenee) Window Coord. 2D (x,y) coordinate schermo + coordinata z di profondità mantenuta a parte

17 Rasterizer stage - 1 Scopo di questultima fase è assegnare il colore corretto ai pixel dellimmagine finale, memorizzati nel color buffer. In questa fase si risolve il problema della visibilità : le coordinate z (memorizzate nello Z-buffer) dicono, per ogni pixel, quale primitiva è più vicina rispetto alle altre, e quindi qual è il colore da assegnare. Vengono anche calcolate le informazioni relative alle texture.

18 Rasterizer stage - 2 Altri buffer possono essere utilizzati in questa fase per effettuare operazioni sui pixel: – Alpha channel, per effetti di trasparenza – Stencil buffer, per vari effetti come ombre e riflessioni – Accumulation buffer, per altri effetti come il motion blur. Alla fine di queste operazioni, limmagine può essere visualizzata.

19 La pipeline di OGL pixel data vertex data display list pixel operation evaluator rasterization per vertex op & primitive assembly texture assembly per fragment operation frame buffer genera vertici da spline trasformazioni anche su texture clipping, proiezione prospettica organizza texture mapping sfrutta memoria locale x texture possono essere riletti da FB operazioni su gruppi di pixel (BitBlt) no DL immediate mode effetti fog dithering hiddden surface masking...

20 Display List Tutti i dati (geometria o pixel di texture) sono salvate in una display list Se la display list non viene usata si opera in modalità immediata, cioè i dati sono processati immediatamente

21 Evaluator Tutte le primitive geometriche sono in ultima analisi descritte da vertici. Curve parametriche possono essere definite da punti di controllo e funzioni polinomiali (funzioni base). I vertici vengono ricavati dalla valutazione della curva parametrica. Fornisce anche normali, coordinate texture, colori e valori di coordinate spaziali di vertici dai punti di controllo

22 Per-vertex operation I vertici vengono convertiti nello spazio omogenee 4D Viene calcolata la proiezione prospettica Se le texture sono attivate vengono generate le coordinate texture e traformate per la proiezione Se il modello di illuminazione è abilitato viene calcolato in questa fase, usando coordinate, normali, posizione delle sorgenti di luce, proprietà dei materiali per calcolare il colore

23 Primitive assembly La parte prevalente dellassemblaggio delle primitive è il clipping Il clipping di linee può generare nuovi vertici in corrispondenza dellintersezione con i piani limite del frustum di visione Viene eseguita la divisione per la componente w ritornando nello spazio 3D Si applica la trasformazione window-to- viewport Se il face culling è abilitato si escludono le facce autonascoste

24 Pixel operation I pixel dallimmagine di input vengono spacchettati in funzione del formato di ingresso I dati sono scalati e rinormalizzati Se i pixel sono letti dal frame buffer vengono ancora riscalati e rinormalizzati Vengono gestiti anche i caratteri Il risultato viene trasferito al frame buffer, alla memoria texture o alla memoria centrale

25 Texture assembly Le texture vengono applicate alla geometria

26 Rasterization I dati geometrici e i pixel vengono convertiti in fragments Ogni fragment (quadrato) corrisponde a un pixel finale Se la conversione riguarda linee si applica lantialiasing Se la conversione riguarda poligoni si applica il colore derivante dal modello di illuminazione Ogni fragment conserva linformazione di profondità

27 Fragment operation Al fragment viene associato un texel, elemento di texture calcolato in precedenza Se previsto si calcola leffetto nebbia Si calcola alpha test per effetti di trsparenza, stencil test per effetti di mascheratura (es. ombre) e lo depth buffer test (z-buffer) per la rimozione delle facce nascoste Alla fine il fragment viene scritto nel frame buffer