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Marco Tarini - Computer Graphics - Lez 1

Univ Insubria 2014/2015 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 14/15”

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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Strumenti necessari

• Un po' di matematica– Algebra lineare: calcolo matriciale

• (matrici 3x3 o 4x4)

• Un po' di algoritmica– Es. saper valutare la complessità asintotica

• Un po' di voglia


Computer Graphics

Marco Tarini

Università dell’Insubria

Facoltà di Scienze MFN di Varese

Corso di Laurea in Informatica

Anno Accademico 2014/15

Intro and applications

3

A definition

CG: Computer Graphicsthe field of study used to create images / animations with a computer.

CGI: Computer Generated Imagery




Computer Graphics: 3D

• In general terms:1. Digital modelling of (generally) 3D entities2. From those, to synthetic images

• Quite a large fields– this is an introductory coruse

• Rapidly advancing field– since some three dozens years!


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


CG: technologies

• Interfaces– input:

• keyboard, mouse• gloves, trackballs, gamepads, • tracked devices (e.g. nintendo Wii)• scanning device (e.g. xbox kinect)• …

– output: • monitors, projectors• multiple projector systems• 3D video systems• ...

– input + ouput:• haptic interfaces• VR / oculus rift


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




• 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


Visualizzazione Scientifica

Onde gravitazionali durante una

collisione di buchi neri

(Max Planck Insitute for Gravitational Physics) Rhinovirus 3 protein



• Visualizzazione Scientifica– aka: SciVis ,

visual data analysis ...

(superficie di un vetro -- Nanorobotics Lab

(Carnegie Mellon University )

(Pittsburg Supercomputing center)(NASA)



• 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 4 / 1 5 ‧ 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


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



VS

14

Scientific Visualization Data Visualization

Simulaz.

relazione

fra due fluidi

di densità diverse





• …

• 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


• 3D personalized avatars– e.g. teleconferencing...





• applicazioni medicali– supporto alla diagnosi

• e.g. visualizz. CAT scans– chirurgia virtuale – tele-chirurgia



• Industria Manifatturiera– CAD– Rapid Prototyping– Simulazioni

di funzionamento– Defect detection– …



• Entertainment: movie industry– visual effects (non special fx)

Jurassic Park - Universal Studios 1993Star Wars: The Phantom Manace - Lucasart 1999 19M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a



Effetti Visuali VS Effetti Speciali

• (in post-produzione)(sul set)(es: stuntmen, corde, esplosioni, …)

20




• Entertainment: movie industry– CG shorts

Luxo Jr - Pixar 1986 Geri's Game - Pixar 1997



• Entertainment: movie industry– CG shorts– Feature movies

Toy Story - Pixar 1995

Geri's Game - Pixar 1997



• Entertainment: movie industry– Feature movies

fotorealistici

Final Fantasy – Squaresoft 2001

Final Flight Of the Osiris – Squaresoft 2003 Avatar – ILM 200923M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a



Uncanny valley

24




• Entertainment: giochi– forza trainante del settore (crederci o no) ...

Battlezone – Atari 1980 Tailgunner - Cinematronics 197925M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a



Doom – IDsoft 1993

Virtua Fighter - Sega 1993 26M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a



Doom 3- ID soft 2004

World of Warcraft,

Blizzard Entertainment 2004 27M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a


• Entertainment: giochi

World of Warcraft,

Blizzard Entertainment 2004vari 28M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a




• 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


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


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


Beni Culturali: Fruizione

• Beni Culturali– musei virtuali– supporto multimediale musei tradizionali





• Beni Culturali– presentazione in rete


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



• Beni Culturali– modello 3D come "GIS"


Beni Culturali: Studio

• ES: Simulazione caduta contaminanti15 degrees5 degrees




Beni Culturali: Monitoraggio

• es: monitorare nel tempo la variazioni sui materiali deformabili

foresta di Dunarobbahttp://www.forestafossile.it/public/new/


Beni Culturali: i mezzi

oggetto reale Rappresentazione digitale

Strumento di acquisizione

processing

dei dati

• Acquisizione della forma geometrica (3D scanning)



• Acquisizione della forma geometrica (es: 3D scanning)

Visual Computing Lab – Stanford Uni 2000



• Acquisizione del colore– semplici fotografie

• approssimato, dipende dalla luce

– Tecniche di calcolo della BRDF

Ci torniamo sopra con calma








• …

• 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


• Architettura:– supporto al design

ArchiCAD (Graphsoft)



• Architettura:– preview:

• comunicazione• assessment

Brazil – SputterFish 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 4 / 1 5 ‧ 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....)




Computer Graphics interattiva: schema ricorrente

applicazione interattiva

informazionemodellazione

rappresentazioneadeguata

(per...)

Immagine/i

rendering/visualizzazione

preprocessing

modelling


esempio: acquisizione 3D per beni culturali

chiosco museale

Statua reale Range scanning(scansione laser)

Mesh poligonale 3D

Immagine/i

rendering

Semplificazione,flitering…


esempio: games

videogame

Artista(conent creator) modellazione manuale

(e.g. 3Dstudio max, Maya, Blender…)

Mesh low-poly+ textures

Immagine/i


semplificazione,u-v mapping,rigging…


esempio: sci-vis analisi di un terremoto

applicaz interattiva

Modellomatematico

del terremoto Simulazione fisica

Campo di altezza(time-varying)

Immagine/i


processing vari…(es color-coding)




Rendering

• Parola utilizzata in molti contesti

Modello Immaginerendering

descritto da un insieme di primitive


Rendering

• Esempio: nei web browser

la paginacome un’immagine

rendering

...

testo in HTML (+ immagini, ccs, etc)

modello della pagina WEB50M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Rendering

• Rendering 3D

Scena 3D rendering Immagine


Rendering

• Rendering 3D

ImmagineScena 3D rendering

...

modello 3D• punti 3D• primitive...




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.


Real Time VS Offline rendering

• Distanza si accorcia

Jurassic Park - Universal Studios 1993

real time

1993

Virtua Fighter - Sega 1993


offline





Final Fintasy – Squaresoft 2001

nVIDIA tech demo at SIGGRAPH 2001

nVIDIA quadro

2001

real time offline





2007

GPUGems III, d'Eon & Luebke (NVidia), 2007

real time offline

Spiederman 3– Squaresoft 2007




Rendering

• Rendering 3D



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)


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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a 59

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)




Rendering…

• Ci occuperemo principalmente di: Real Time 3D Rendering


screen buffer( array 2D di pixel )

N volte al sec( es N=60 )

dal resto dell' applicazione


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)62M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a


• 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

~



• Problema difficile – fortunatamente,

processo massicciamente parallelizzabile– "embarrassingly parallel"

• Ingrediente base della soluzione: hardware specializzato




dunque, questo corso...

...è un corso (introduttivo) di:

Real-Time Hardware-Based

3D Rendering


Non ci occuperemo 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 OpenCL66M 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 4 / 1 5 ‧ U n i v e r s i t à d e l l ’ I n s u b r i a

Text books


Text books

• Fondamenti di Grafica tridimensionale interattivaScateni, Cignoni, Montani, ScopignoMcGraw Hill Companies

• Real-Time Rendering (2nd Edition)Tomas Moller & Eric Haines– una manuale che comprende molto di quello che facciamo nel corso,

…e molto altro

• Vector Math for 3D Computer Graphics– un compendio molto semplice ed introduttivo di alcune nozioni base– disponibile in rete, con tutorials

• Altre risorse: wikipedia, tutorials OpenGL online


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