Architettura di OGL e pipe-line

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Architettura di OGL e pipe-line
Corso Di Programmazione Grafica

• Daniele Marini

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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.

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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).

Application
Geometry
Rasterizer
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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

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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.

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Geometry stage

• In questa fase viene eseguita la maggior parte di
  operazioni sui poligoni e sui vertici.
• E normalmente suddivisa in questo modo

Applic
Geom
Rast
Model and View Transform
Lighting
Projection
Clipping
Screen Mapping
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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).

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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).

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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.

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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.

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Projection - 2

• Proiezione ortografica

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Projection - 3

• Proiezione prospettica

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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).

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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.

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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)

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

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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.

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

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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

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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

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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

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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

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Texture assembly

• Le texture vengono applicate alla geometria

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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

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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