3d-графика. ЗИЛ

Высшая школа экономики, Москва, 2013www.hse.ru

ИСТОРИЯ 3D-ГРАФИКИ

Соболевский Алексей

Высшая школа экономики, Москва, 2013

О чём лекция?

• Об истории• О 3D-графике• Об инженерах• О мыслях, помыслах и домыслах

инженеров• О жизни, вселенной и вообще


Основные понятия 3D-графики (условно)

• Полигон• Вертекс• Текстура• Шейдер• Буфер глубины и буфер кадра• Рендеринг


Угадай личность!


• Ставил эксперименты на прямых и точках (стереометрия)

• Изучал двумерные фигуры (планиметрия)

• Ввёл аксиомы для формализации пространств

Евклид


• Формализовал алгебру (символьный анализ)

• Научил находить корни квадратного уравнения (и не только)

• Первый пример бесконечного произведения

Франсуа Виет (1540 – 1603)


• Философ, математик, механик, физик и физиолог

• Рассуждал о методе. Написал книгу

• Объяснил графики лучше чертить в тетради в клеточку

Кто это?


• Основоположник аналитической геометрии

• Создатель метода координат

Рене Декарт (1596 – 1650)


Трёхмерное пространство


Системы координат

Цилиндрическая Сферическая


Леонард Эйлер (1707 – 1783)

• Положил начало топологии• Первый учебник по

аналитической геометрии и основам дифференциальной геометрии

• Разворачивал трёхмерные поверхности на плоскость

• Отлично рисовал круги


Леонард Эйлер (1707 – 1783)


Борис Делоне, Георгий Вороной

• Создатель метода триангуляции

• Создатель «Диаграмы Вороного»


Георгий Вороной (1868 – 1908)


Борис Делоне (1890 – 1980)


Алан Тьюринг (1912 – 1954)

• Создатель «Машины Тьюринга» (24 года)

• Входил в группу разработчиков «Манчестерских компьютеров» (36 лет)

• Участвовал в разработке первого транзисторного компьютера


Даммер, Шокли, Бардин, Браттейн

• Один из основоположников микрочипов и интегральных схем

• Нобелевская премия за создание биполярных транзисторов


Наконец-то 3D!

3D-графикаРаздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.


Немного иллюзий


Красота...


Современные гуру

Иван Сазерленд•Создатель Sketchpad (1962 год)•Основатель первой кафедры Компьютерной графики

Эд Катмолл•Создатель первых алгоритмов битовой глубины и текстурирования•Технический директор Pixar



Джим БлиннСоздатель Bump Mapping и Environment Mapping

Би Тюн ФонгPhong Shading

Анри ГюраGouraud Shading


Немного об алгоритмах



— вектор нормали

— направление проецирования

— коэффициент фонового освещения

— коэффициент зеркального освещения

— коэффициент диффузного освещения


Немного истории


Пьер Безье (1910 – 1999)

• Создатель кривой Безье (1959)


Пьер Безье (1910 – 1999)

• Частный случай многочленов Бернштейна


NURBS


Ещё немного истории

• 1976 годПервый фильм, в котором использовалась 3D-графики, Futureworld

• Первая программа 3D-моделирования MAGI (процедрурная)

• Алгоритм трассировки лучей• Появление полигонального метода

моделирования• Power Animator (SGI-станции, Irix OS)


Ещё немного истории (Futureworld)


Разбиение на треугольники вручную


Главное событие 3D графики

Главное событие в истории 3D графики



?


Чайник Юта (Мартин Ньюэлл, 1975 г.)


Тем временем...



• MDA (Monochrome Display Adapter)• CGA (Color Graphics Adapter, 4 бита, 16 цветов, 1981 г.)• EGA (Enhanced Graphics Adapter, 64 цвета, 1984 г.)• VGA (Video Graphics Array, 1987 г.)

– Графический контроллер– видеопамять – последовательный преобразователь – контроллер атрибутов – Синхронизатор– контроллер ЭЛТ



Test Drive Ferrari. CGA vs Now (NFS)


Видеокарты/ускорители

Раньше было:Видеокарта (2D) + ускоритель (3D)

Сейчас:Видеокарта (3D) + сопроцессоры (Shaders, Physics)


Voodoo 2 (1998)

Pixel Fill Rate: 90 Mil/sMemory/core clock: 90 MHzDisplay out: 16 bit


GeForce GTX Titan (2013)

Pixel Fill Rate: 40 000 Mil/sCore clock: 837 MHzMemory clock: 6008 Mhz


Архитектура


Текстурирование


Текстурирование. Bump Mapping (1978)


Текстурирование сейчас

• Normal Mapping• Parallax Mapping• Bump Mapping• Environment Mapping• Displacement Mapping• Mipmapping• …


Текстурирование


Буфер глубины (1974) и буфер кадра

Буфер глубины - способ учёта удалённости элемента изображения

По сути, это массив, записывающий удалённость объектов сцены от камеры


Буфер глубины и буфер кадра


Рендеринг

РЕНДЕРИНГ

РЕНДЕРИНГ


Рендеринг

Получение изображения из модели (не обязательно 3D)


Конвейер рендеринга

Это стандартный алгоритм

Вход конвейера – данные о 3D сцене (свет, объекты, текстуры, шейдеры, типы затенения и освещения и т.п.)

Выход конвейера – 2D картинка на мониторе


Конвейер рендеринга (раньше)

• Триангуляция (Triangle Setup)

• Трансформация объектов

• Обработка вершин

• Трансформация вида

• Проекция сцены

• Отсечение невидимых частей

• Растеризация

• Обработка пикселей

• Вывод


Конвейер рендеринга (сейчас)


Обработка света


Обработка света

• Lightmapping• Shadow Volumes• Ray Tracing и Reverse ray tracing• Occulsion mapping• Photon mapping


Lightmap

• Меняется цвет и освещённость текстуры


Shadow Volumes

• В самом простом случае: всё, что находится за освещённым объектом – чёрное. Очень жёсткие тени. Сложности с воспроизведением рассеивания света


Shadow Volumes

Справа показано, как распространяются проекции теневых объёмов от источника света


Ray Tracing и Reverse Ray Tracing

• Если совсем просто: каждый пиксель экрана – это луч, направленный в трёхмерную сцену. При пересечении с объектом высчитывается цвет этого пикселя с учётом коэффициентов отражения, преломления и цвета самой текстуры.


Ray Tracing и Reverse Ray Tracing


Дополнительные фишки

Дополнительно


Дополнительные методы и алгоритмы

• Методы построения 3D-объектов– NURBS– Voxels

• Anti-Aliasing• Motion Blur• HDR


Voxels

• Voxel – Volumetric pixel, по аналогии с обычным пикселем – из вокселей могут строится трёхмерные объекты. Может быть кубом, сферой или другим примитивом. Не нуждается в текстурировании.


Voxels


Anti-aliasing

• Anti-aliasing – технология, используемая для устранения эффекта «зубчатости», возникающего на краях одновременно выводимого на экран множества отдельных друг от друга плоских, или объёмных изображений.


Anti-aliasing


Шейдеры


Шейдеры

Это всё иллюзии, игры разума, игры

с цветом!


Иллюзии


Вернёмся к истории (кино)

• 6 секунд• 20 человек• 7 месяцев


Вернёмся к истории (кино)

• 12,7 млн. полигонов• 1 кадр – до 72 часов рендеринга


Аудитория А113


Видеокарта сейчас

• Около 4 000 000 000 транзисторов на одной плате• Около 1 000 ядер на обработку• Отдельные блоки для буферизации, растеризации,

обработки команд CUDA, Direct 3D, Open CL, Open GL• Сенсоры, датчики, обработчики ошибок, синхронизация,

доп. интерфейсы• Техпроцесс 20 нм


Видеокарта сейчас

• С/К «Ломоносов»– 78 000 + ядер– Реальная производительность – более 900 Тфлопс (i5 – около 100

Гфлопс)– Использование спец. шины InfiniBand для коммутации (до 300

Гбит/сек)– Гетерогенная архитектура

3d-графика. ЗИЛ

Education