DirectX - OpenGL Corso di “Elementi di Grafica Digitale”

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1 DirectX - OpenGL Corso di “Elementi di Grafica Digitale”
Prof. Matjaz Hmeljak Anno Accademico 2008/2009 DirectX - OpenGL Presentazione di Maicol Petozzi

2 DirectX DirectX è un set multimediale di API per lo sviluppo semplificato di videogiochi per Windows I componenti delle librerie DirectX sono disponibili al programmatore come oggetti corrispondenti alle specifiche COM (Component Object Model) Versioni attuali: Windows XP e precedenti: DirectX 9.0C Windows Vista: DirectX 10 (WGF 2.0) / DirectX 9.0L (WGF 1.0) WGF (Windows Graphics Foundation)

3 Nascita DirectX (1) Nel Microsoft è sul punto di rilasciare un nuovo SO Windows 95 (con qualche problema per il futuro del suo prodotto...) DOS Permette l’accesso diretto alla schede video, tastiera, mouse, periferiche audio e a tutte le altre parti del SO. Windows 95 Con il concetto di plug-and-play, limita l’accesso a tutti i dispositivi lavorando su un modello più standardizzato. HW HW Risultato: Il DOS sarebbe stato considerato come migliore piattaforma per la programmazione di videogiochi, limitando il successo di Win95 WIN DOS APP APP

4 Struttura a livelli per la grafica di Windows 95 alla sua uscita
Nascita DirectX (2) (1) (2) (3) 1994 1995 1996 Fine ’94: Microsoft inizia lo sviluppo da zero di un API grafica Febbraio ’95: decide di acquisire British 3D RenderMorphics e la sua API Settembre ‘95: risviluppa l’API acquisita e rilascia la prima versione delle DirectX (con il nome di Windows Games SDK) Struttura a livelli per la grafica di Windows 95 alla sua uscita Struttura a livelli per la grafica di Windows 95 con l’introduzione di WG SDK

5 OpenGL OpenGL (Open Graphics Library) è una specifica che definisce un API per più linguaggi e piattaforme per scrivere applicazioni che producono computer grafica 2D e 3D OpenGL ha un ampio ventaglio di capacità: Sviluppo di videogiochi, applicazioni CAD, CAE e realtà virtuali Ambiente Unix: Standard di fatto per la computer grafica 3D Retrocompatibile - OpenGL è diventata nel tempo una API ad uso generico, con un ampio ventaglio di capacità - Una delle caratteristiche più apprezzate in ambito professionale è la retrocompatibilità tra le diverse versioni

6 OpenGL OpenGL garantisce due aspetti importanti:
OpenGL è un API procedurale a basso livello Richiede al programmatore i passi precisi per disegnare una scena Al contrario, API descrittive ad alto livello richiedono una descrizione generica della scena Nascondere la complessità di interfacciamento con acceleratori 3D differenti Offrendo al programmatore un API unica ed uniforme Nascondere le capacità offerte dai diversi acceleratori 3D Richiedendo che tutte le implementazioni supportino completamente l'insieme di funzioni

7 GLU – GLUT - GLUI OpenGL viene arricchito dal vari pacchetti, che contengono librerie per fornire differenti funzionalità: GLU (GL Utility) contiene funzioni di più alto livello, utili ad esempio per la creazione di sfere o altri oggetti complessi o per impostare particolari matrici di proiezione e per facilitare alcune operazioni al programma client GLUT (GL Utility Toolkit) si tratta di un toolkit che permette di scrivere programmi completi nascondendo le differenze di implementazione tra i gestori finestre dei vari sistemi operativi. Non viene usata a livello professionale GLUI (GL User Interface) è una libreria per l’interfaccia grafica, basata su GLUT, che fornisce controlli come buttons, checkboxes, radio buttons e spinners alle applicazioni OpenGL

8 Nascita OpenGL (1) IRIS GL di Silicon Graphics (SGI)
Predecessore di OpenGL Inizialmente nata come libreria grafica 2D Evoluta poi in grafica 3D Utilizzata su HW dedicato (IRIS graphics workstations) Tentativo di espansione nel mercato: Problemi passaggio Opengl parte dal suo predecessore, IRIS GL di Silicon Graphics. Libreria grafica inizialmente nata come 2D e successivamente evoluta in grafica 3D, era utilizzata su HW dedicato e ottimizzato, le IRIS graphics workstations. Quando SGI tentò di portare IRIS GL su altre piattaforme HW, ci furono dei problemi. Gli sforzi da parte di Silicon Graphics di incrementare la portabilità del suo prodotto, portarono come risultato la nascita di OpenGL. HW dedicato (IRIS graphics workstation) HW generico (Altre piattaforme HW ) Risultato Nasce OpenGL, risultato degli sforzi di SGI per incrementare la portabilità di IRIS GL

9 Nascita OpenGL (2) Il nuovo linguaggio offre:
Potenzialità di (IRIS) GL Potenzialità di essere “Open” OpenGL Versione 1.0, 1 Giugno 1992 Con lo scopo di definire e promuovere lo standard nasce l’ARB (Architecture Review Board) Composto inizialmente da: SGI, Digital Equipment Corporation, IBM, Intel, Microsoft Successivamente altre aziende si uniscono all’ARB SGI controllava comunque le licenze OpenGL Adattabile a diverso HW e OS - Il nuovo linguaggio offre le potenzialità di IRIS GL e quelle di essere “Open”, cioè adattabile a diverso Hardware e Sistema Operativo. - La versione 1.0 di OpenGL viene pubblicata il 1 Giugno 1992. - Con lo scopo di definire e promuovere lo standard nasce l’organizzazione ARB (Architecture Review Board), composto inizialmente da: SGI, DEC, IBM, Intel e Microsoft. Successivamente altre aziende entrano a far parte dell’ARB, soprattutto i produttori di Hardware. In ogni caso SGI controllava comunque le licenze OpenGL.

10 Crescita a confronto OpenGL 1.0/1 DirectX 1.0 DirectX 2.0 2.0a
giugno 1992 OpenGL 1.0/1 DirectX 1.0 settembre 1995 DirectX 2.0 1996 2.0a DirectX 3.0 3.0a 3.0b DirectX 4.0 DirectX 5.0 luglio 1997 marzo 1998 1.2 5.2 maggio DirectX 6.0 agosto ottobre 1.2.1 6.1 febbraio 1999 6.1a DirectX 7.0 7.0a 7.1 DirectX 8.0 novembre 2000 agosto 2001 1.3 8.0a 8.1 8.1a 8.1b 8.2 giugno 2002 1.4 DirectX 9.0 dicembre 2003 1.5 9.0a 9.0b 9.0c 2004 settembre OpenGL 2.0 2006 2.1 DirectX 10 2008 OpenGL 3.0

11 Struttura DirectX 9.0c DirectX Graphics Permette la presentazione a video di grafica 2D e 3D, interfacciandosi direttamente con la scheda video. È composto da due API: Direct3D: API di basso livello, concepita per applicazioni grafiche complesse, che richiedono un'alta frequenza di aggiornamento dello schermo (giochi). Fino alla versione 8.0 esistevano DirectDraw (grafica 2D) e Direct3D (solo grafica 3D). Direct3DX: API di livello alto, si basa su Direct3D per offrire potenzialità simili con minore complessità. Le funzioni non supportate dall'hardware vengono emulate via software dalle DirectX grazie al Hardware Emulation Layer (HEL), a scapito delle prestazioni.

12 Struttura DirectX 9.0c DirectInput
Gestione input delle periferiche. Tastiera, mouse, joystick o altra periferica di gioco DirectPlay Fornisce supporto ai giochi di rete (non più supportato perché pesante) DirectSound Interfaccia con la scheda audio per la riproduzione-registrazione di effetti sonori DirectMusic Riproduzione di musica (MIDI, MP3). Offre la funzionalità di un sintetizzatore software DirectShow Gestione file multimediali (MPEG, MP3) e streaming via Internet DirectSetup Rileva le informazioni delle DirectX installate, eventualmente aggiorna le componenti DirectX Media Objects Permette la modifica di streams audio-video, usando DirectShow o DirectSound

13 Cambiamenti DirectX 10 Riprogettazione delle API Nuove DLL più veloci:
Abbandono retrocompatibilità Windows Vista gestione parallela DirectX 10 versione ottimizzata e più performante DirectX 9.0L versione ottimizzata per il nuovo OS e retrocompatibile

14 Moduli DirectX 10 DirectInput Xinput DirectSound DirectPlay
Modifica gestione periferiche di input Programmazione più semplice DirectSound Miglioramento qualità e gestione dell’audio DirectPlay Tramite tag permette di giocare online con un singolo username DirectShow Gestione più fluida/intelligente dei flussi audio e video DirectMusic Componente invariato Direct3D Xinput XACT (X3DAudio) Game for Windows Live Microsoft Media Foundation Direct3D10

15 Direct3D 10 Cambiamenti di rilievo:
Maggiori possibilità per i programmatori (Shader Model 4.0 e Geometry Shaders) Specifiche hardware fisse Prestazioni migliorate (cicli di comando ridotti per frame) Riduzione Sovraccarico CPU: Riprogettazione chiamate di drawing e cambiamento di stato Riduzione dipendenza Scheda Video dalla CPU Esecuzione di più funzioni con un solo comando Insieme di istruzioni unificate (HLSL) Stream I/O (il Geometry Shader può scrivere nella memoria) Possibilità di Creare/Distruggere dati legati alla geometria della scena Ottimizzazioni anti-aliasing e supporto alla global illumination

16 Shader Model 4.0 +Velocità +Parallelismo (DirectX 8 – Shader Model 1.0/1.1): Separare nettamente i compiti in unità di elaborazione: Shader Pixel Shader: Maggior realismo della scena (illuminazione, texture) Vertex Shader: Calcoli su poligoni ed oggetti 3D (posizione) Miglioramento: Unified Shader Con le DirectX 8.0 per ottenere una velocità di elaborazione maggiore si è deciso di aumentare il parallelismo. Separando nettamente i compiti in unità di elaborazione, dette Shader. Inizialmente sono stati introdotti i PixelShader ed i VertexShader, i primi hanno il compito di rendere la scena più realistica (con effetti di illuminazione, ombre ed elaborazione delle texture [bump mapping]) mentre i vertex Shader si dedicano a calcoli dei vertici dei poligoni ed oggetti 3D (riguardanti la posizione, i parametri di illuminazione o posizione delle texture). Con l’arrivo delle DirectX 10 si è introdotto il Geometry Shader, che permette l’elaborazione di istruzioni riguardanti anche più di un vertice e viene utilizzato per... Un altro miglioramento con lo Shader Model 4.0 è stato l’unificazione degli Shader a livello HW. 2 Tipi di unità di esecuzione statiche Più unità di esecuzione, parallelismo 1 unità di esecuzione per tutte le istruzioni 1 Tipi di unità di esecuzione intelligente Unità per l’elaborazione dei vertici Unità per l’elaborazione dei pixel DirectX 9 con Shader Tradizionali DirectX 10 con Unified Shader

17 Versione Shader Model (Anno)
Versione Shader Model (Anno) 1.1 (2001) 2.0 (2002) 3.0 (2004) 4.0 (2006) Instruction Slots Vertex 128 256 512 64000 Pixel 4+8 32+64 Constant Registers 96 16x4096 8 32 224 Temporary Registers 12 4096 2 Input Registers 16 Render Targets ---- 1 4 Samplers Textures Max Texture Size 4048x4048 8096x8096 2D Texture Sizes No Yes Integer Operations Load Operations Sample Offsets Trascendental Operations Derivative Operations Flow Control S S/D Dynamic

18 Geometry Shader Introdotti con DirectX 10 Gestione di intere geometrie
Controllo di più vertici per volta (punto, linea, triangolo) A differenza dei Vertex Shader = 1 vertice alla volta Possibilità di creare geometrie senza passare dalla CPU Gestione ombre-illuminazione-texture tramite GPU Possibilità di lavorare con più elementi grafici

19 Pipeline Grafica DirectX 10
HLSL (High Level Shader Language) è un linguaggio sviluppato da Microsoft per la creazione di shader da usare in DirectX (Molto simile al linguaggio Cg di Nvidia) L'HLSL permette di scrivere complessi calcoli grafici che possono essere eseguiti molto velocemente dalla GPU, e rappresenta inoltre il primo passo per una pipeline grafica completamente programmabile MEMORY VIDEO Stream Output Vertex Shader Geometry Shader Pixel Shader Input Assembler Output Merger Rasterizer Schema Pipeline Grafica DirectX 10

20 Geometry Shader Risultato grazie all’introduzione dei Geometry Shader:
Si possono inserire molti più elementi grafici nella scena, senza sovraccaricare la CPU

21 Esempi DirectX 10 DirectX 9.0c

22 Esempi DirectX 10 DirectX 9.0c

23 Esempi DirectX 10 DirectX 9.0c

24 Esempi

25 Dove trovare le DirectX

26 OpenGL 3.0 2007 - Tante promesse da parte di ARB
Riscrittura dell’intera API Innovazioni (in ambito di videogiochi) etc ... Stato attuale, 11 Agosto 2008 OpenGL 3.0: Espansione OpenGL 2.1 Implementazione delle sole funzionalità supportate da DirectX 10 Rimozione Fixed Function Pipeline Delusione da parte dei programmatori

27 Contributor Membership
Sviluppo OpenGL Promoter Membership $25,000 annually Contributor Membership $7,500 annually

28 OpenGL ES OpenGL ES (Embedded System) è un API multi piattaforma, con accesso completo a funzioni di grafica 2D e 3D su sistemi embedded (cellulari, PDA, console) E’ un sottoinsieme di funzioni OpenGL che rappresenta un interfaccia flessibile di basso livello tra SW e acceleratori grafici Vantaggi: Standard e royalty-free Poco spazio in memoria e Basso consumo energetico Estensibile ed in Evoluzione Facile da usare e Ben documentata OpenGL ES è un API multi piattaforma, royalty-free con accesso completo a funzioni di grafica bidimensionale e tridimensionale sui sistemi embedded che includono dispositivi mobili, veicoli ed elettrodomestici. E’ un sottoinsieme ben definito di funzioni dell’API OpenGL e rappresenta un interfaccia flessibile di basso livello tra il software e gli acceleratori grafici. - Ognuno può ottenere la specifica OpenGL ES e implementare prodotti basati su questa API. Avendo un ampio supporto da parte di moltissimi produttori HW e SW rappresenta uno standard aperto e multi piattaforma. - Lo spazio embedded varia da PDA con processore a 400Mhz e 64MB di RAM a cellulari con processore a 50MHz e 1 MB RAM. OpenGL ES è stata sviluppata per adattarsi a queste differenze richiedendo un occupazione minima in memoria, un traffico dati/istruzioni minimo e supporto per operazioni sia intere che in virgola mobile. Nelle sue prime versioni non è stata assunta la presenza di processori in virgola mobile (Floating Point Unit, FPU). - OpenGL ES permette a nuove innovazioni hardware di essere accessibili dall’API attraverso il meccanismo delle estensioni. Quando tali estensioni diventano largamente accettate sono considerate per essere incluse dentro il nucleo dello standard OpenGL. Questo processo permette all’API di evolvere in maniera controllata. - Essendo basata su OpenGL, OpenGL ES si presenta ben strutturata con un design intuitivo e logico, non rappresenta una novità per gli sviluppatori e i produttori di hardware e ha già una vasta gamma di documentazione presente.

29 OpenGL ES Dove trovare OpenGL ES? OpenGL ES su Symbian OS e Android
OpenGL ES 1.0/2.0 e Cg(Nvidia) su Playstation 3 è una delle API grafiche ufficiali OpenGL ES 1.1 è la libreria grafica per l’iPhone SDK OpenGL ES 2.0 è usata sulla console Pandora

30 Futuro: DirectX 11 Dove? HW? Quando? Novità?
Windows Vista (Windows 7 e Futura console Microsoft) HW? Compatibilità con Schede Video DirectX Quando? Durante l’anno, 2009 Novità? Shader Model 5.0 Tecnologia Tesselation: figure poligonali più dettagliate anche se viste da vicino Gestione Applicazioni Multi-threaded (CPU multi-core) Compute Shaders HLSL Version 5.0

31 Futuro: OpenGL 3.1 “OpenGL 3.0 è un solido passo nella direzione di rendere più snelle OpenGL,” Trevett – Vice President di Khronos membro Nvidia – “Ci sono elementi che sono stati pensati alla versione 3.0 e che usciranno nella versione 3.1” Uscita OpenGL 3.1 fra qualche mese

32 Bibliografia + Link “OpenGL Super Bible”, Richard S. Wright, Benjamin Lipchack