(5) GPU Programmierung

Transkript

1 (5) GPU Programmierung Vorlesung Computergrafik II Stefan Müller Dank an Niklas Henrich, Thorsten Grosch KOBLENZ LANDAU

2 Fantastische Effekte in Echtzeit... Real-Time Fur Over Arbitrary Surfaces, Lengyel et al., 2001 Interactive Screen-Space Accurate Photon Tracing on GPUs, Bürger et al., 2006 Interactive Image-Space Techniques for Approximating Caustics, Wyman, 2006 Studienarbeit Stefan Müller, Non-Photorealistic Rendering mit Hilfe der GPU, 2006 KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 2 -

3 Standard OpenGL Pipeline verändern Bisher: Jeder glvertex( ) Punkt durchläuft die Standard OpenGL Pipeline Jetzt: Funktionalität verschiedener Stufen der Pipeline kann verändert werden Veränderungen sind möglich auf Ebene von (Eck-)Punkten (Vertex-Program) Grafikprimitiven (Geometry-Program) Pixeln (Fragment-Program) KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 3 -

4 Die programmierbare Pipeline Vertex Pogram (Vertex Shader) Programm pro Eckpunkt Geometry Program (Geometry Shader) Programm pro Grafikprimitiv Fragment Program (Pixel Shader) Programm pro Pixel KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 4 -

5 Eigenschaften Vertex Program Arbeitet nur auf einem Eckpunkt Keine Information über Topologie (andere Eckpunkte) Keine Punkte erzeugen oder löschen Wahlfreier Zugriff auf Texturspeicher Auslesen des abgespeicherten Wertes an einer beliebigen Position innerhalb einer Textur KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 5 -

6 Normale Aufgaben Vertex Program Eckpunkttransformation Weltkoordinaten in Kamerakoordinaten Transformation in kanonisches Volumen Normalentransformation Transponierte Inverse Beleuchtung in Kamerakoordinaten... KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 6 -

7 Was gehört nicht ins Vertex Program Clipping am kanonischen Volumen (-w +w) Perspektivische Division (x/w, y/w, z/w) Color Clamping an [0,1] KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 7 -

8 Vertex Program schematisch Texturspeicher Position (Welt) Farbe Normale Texturkoordinaten Benutzerdefinierte Attribute Vertex Program Position (kan.vol. w..+w) Farbe Texturkoordinaten Benutzerdefinierte Attribute OpenGL State (Lichtquellen, Materialien, Matrizen) Benutzerdefinierte (uniform) Daten KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 8 -

9 Eigenschaften Fragment Program Fragment Program Vertex Processor Rasterizer Fragment Processor Arbeitet am Ende der Pipeline Wird für jedes zu zeichnende Fragment (Pixel) aufgerufen Arbeitet nur auf aktuellem Fragment (Pixel) Kein Lesen oder Schreiben auf andere Pixel im Framebuffer Wahlfreier Zugriff auf Texturspeicher KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich - 9 -

10 Fragment Program Normale Aufgaben Fragment Program Farbe des Pixels festlegen Texturzugriff Effekte (z.b. Nebel) Was ein Fragment-Program nicht leistet Depth-Test Stencil-Test Alpha-Blending Wird nach den Fragment- Programmen durchgeführt KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

11 Fragment Program schematisch Texturspeicher Interpolierte Farbe Interpolierte Texturkoordinaten Interpolierte benutzerdefinierte Attribute Fragment Program Pixelfarbe (Tiefenwert) OpenGL State (Lichtquellen, Materialien, Matrizen) Benutzerdefinierte (uniform) Daten KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

12 GPU programmieren - Damals Programmierung in Maschinensprache Programme werden sehr schnell unübersichtlich... vs.1.0 def c94, 0.18f, 0.18f, 0.18f, 0.18f m4x4 opos, v0, c16 mov ot0.xy, v7 add r8, c28, -v0 m3x3 r9, r8, c20 dp3 r11.x, r9, r9 rsq r11.y, r11.x mul ot4.xyz, r9, r11.y... ; Scalar for cube map adjustment ; OutPos = ObjSpacePos * Composite WVP-Matrix ;Passthrough texcoord 0 for bump map addressing ;View direction ;Transform view vector from object space to env space ;Magnitude^2 ;1/mag ;Normalize KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

13 GPU programmieren - Heute Programmierung in einer Hochsprache Compiler zur Übersetzung in Maschinensprache Erste Shading-Languages RenderMan (Pixar 1988) Stanford Real-Time Shading Language (2001) Aktuell Cg (NVIDIA, OpenGL und DirectX) HLSL (Microsoft, DirectX) OpenGL Shading Language (GLSL) Weitere (GPGPU) Cuda (NVIDIA) Brook, Sh Bald: OpenCL KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

14 OpenGL Shading Language (GLSL) Teil des OpenGL 2.0 Standards Syntax orientiert sich an C / C++ Funktionen Einfache Datentypen (float, int, bool) Strukturen Arrays Bedingungen Schleifen Aber: Keine Zeiger Beliebige Länge der Shader-Programme KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

15 Sprachmerkmale von GLSL Vektoren und Matrizen vec4 (Vektor bestehend aus 4 float-werten), mat4 (4x4 float-matrix), Operationen auf Vektoren und Matrizen (SIMD) o = m * n (Matrixmultiplikation) u = v + w (Vektoraddition) u = cross(v,w) (Kreuzprodukt) f = dot(u,v) (Skalarprodukt) mat4 n, m, o; vec4 u, v, w; float f; Viele weitere mathematische Funktionen sin(x), cos(x), tan(x), KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

16 Swizzle / Masking Swizzle (Komponenten eines Vektors vertauschen) Rechte Seite der Zuweisung u = v.zxyw u u v x v z Masking (Nur in bestimmte Komponenten schreiben) Linke Seite der Zuweisung v.xy = v + n v v n x x x y x v y u v z v y y n y u v w z w v, v w unverändert Skalare Werte mehrfach zuweisen u.xy = dot(v.xyz,w.xyz) u x u u, u z w y v x w x v y w unverändert y v z w z KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

17 Ein- und Ausgabe bei Shader Programmen Zugriff auf Eigenschaften des aktuellen Eckpunktes bzw. Fragments über vordefinierte Variablen Ausgabe der Shader-Programme über vordefinierte Ausgabe-Variablen Ausgabe bei Vertex-Programmen Werte werden linear interpoliert Farbe, Texturkoordinaten, Zugriff in Fragment Shader auf interpolierte Werte Zusätzlich eigene Ausgabe-Variablen varying variables später mehr dazu KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

18 Ein- und Ausgabeparameter Vertex Shader Eingabe Position (gl_vertex) Farbe (gl_color) Normale (gl_normal) Texturkoordinaten (gl_multitexcoordn) Ausgabe Position (gl_position) Farbe (gl_frontcolor) Texturkoordinaten (gl_texcoord[]) Fragment Shader Eingabe Farbe (gl_color) Texturkoordinaten (gl_texcoord[]) Ausgabe Pixelfarbe (gl_fragcolor) Tiefenwert (gl_fragdepth) Komplette Liste KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

19 GLSL Programmierung Shader Objekt erzeugen vertexshader = glcreateshader(gl_vertex_shader); Source-Code bereitstellen Quelltext aus Textdatei einlesen und übergeben glshadersource(vertexshader, 1, &sourceptr, NULL); sourceptr vom Typ char* Shader compilieren glcompileshader(vertexshader); KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

20 GLSL Programmierung Shader Program Objekt erzeugen program = glcreateprogram(); Shader Program mit Shadern bestücken glattachshader(program,vertexshader); Program linken gllinkprogram(program); Program benutzen gluseprogram(program); Zurück zur OpenGL Fixed-Function Pipeline gluseprogram(0); Shader Program Vertex Shader Geometry Shader Fragment Shader KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

21 Uniform Variablen Benutzerdefinierte Daten in Shader laden Innerhalb von Shadern nur Lesezugriff Wert konstant für Grafikprimitiv Applikation (OpenGL Programm) // Program muss aktiv sein gluseprogram(program); // Speicherstelle innerhalb // Shader-Program abfragen GLint loc; loc=glgetuniformlocation(program, "Time"); // Wert setzen gluniform1f(loc, 2.314); Shader uniform float Time; void main() { } KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

22 Zugriff auf OpenGL-State Zugriff über vordefinierte Uniform-Variablen Werden automatisch gesetzt Beispiele gl_modelviewmatrix gl_modelviewprojectionmatrix gl_projectionmatrix gl_modelviewmatrixinversetranspose gl_lightsource[0..n] gl_frontmaterial KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

23 Minimales GLSL-Programm Vertex-Shader void main() { gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix * gl_vertex; gl_frontcolor = gl_color; } Fragment-Shader void main() { gl_fragcolor = gl_color; } KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

24 Einfache Beleuchtung mit GLSL Beleuchtung passiert im Standard OpenGL Vertex Program Bei eigenem Vertex Program muss Beleuchtung selbst programmiert werden Normale Beleuchtung mit OpenGL Transformation in Kamerakoordinaten Transformation der Normalen mit transponierter Inverse Beleuchtung pro Eckpunkt in Kamerakoordinaten Vereinfachte Variante 1 Licht Beleuchtung in Weltkoordinaten Nur diffuse Beleuchtung KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

25 Gouraud Shading im Vertex Program Szenario: N Eckpunkt void main() { vec3 normal = normalize(gl_normal); // Falls nicht normiert vec3 lightvec = gl_lightsource[0].position.xyz // Vektor zur gl_vertex.xyz; // Lichtquelle lightvec = normalize(lightvec); float cosinus = dot(normal, lightvec); lightvec gl_frontcolor = gl_frontmaterial.diffuse * gl_lightsource[0].diffuse * cosinus; Lichtquelle // Normalisieren // Empfängercosinus // Farbe berechnen gl_position = ftransform(); // Transformation in kanonisches Volumen } KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

26 Phong Shading Beleuchtung pro Pixel im Fragment Program Normalen müssen interpoliert werden Problem mit OpenGL Normalen werden nach der ModelView-Transformation weggeworfen Position des Eckpunktes wird nach dem Clipping weggeworfen Normalen und Position müssen an Fragment Program weitergegeben werden Nur wie? KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

27 Werteübergabe von Vertex Program an Fragment Program GLSL Normalen und Position in varying variables ablegen varying variables Benutzerdefinierte Variablen Können beliebige Werte enthalten (Geschwindigkeit, ) Lineare Interpolation zwischen den Eckpunkten KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

28 Phong Shading Vertex Program varying vec4 position; varying vec3 normal; void main() { position = gl_vertex; normal = gl_normal; gl_position = gl_modelviewprojectionmatrix * gl_vertex; } KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

29 Phong Shading Fragment Program varying vec4 position; varying vec3 normal; void main() { vec3 normal = normalize(normal); vec3 lightvec = gl_lightsource[0].position.xyz - position.xyz; lightvec = normalize(lightvec); float cosinus = dot(normal, lightvec); } gl_fragcolor = gl_frontmaterial.diffuse * gl_lightsource[0].diffuse * cosinus; KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

30 Vergleich Gouraud Phong Shading KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

31 Was gibt s noch? GPGPU General Purpose Computation on Graphics Processing Unit Grafikkarte für andere Zwecke nutzen Vom Finanzwesen bis zur Strömungssimulation Sehr spannendes und aktives Feld KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

32 GLSL Funktionalität nutzbar machen GLSL ab OpenGL 2.0 verfügbar GLSL auch als OpenGL Extension verfügbar Damit es auch auf älteren Karten (hoffentlich) läuft Extension mit Hilfe von GLEW (OpenGL Extension Wrangler) nutzbar machen Einfach, bequem und plattformunabhängig Ablauf 1. GLEW includen (vor GLUT!) 2. GLUT initialisieren und Fenster anlegen 3. GLEW initialisieren 4. OpenGL 2.0 Support abfragen 5. Siehe ShaderFramework in der Übung! KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

33 GLEW installieren - Visual Studio GLEW von laden 2. Binaries Version für Windows wählen 3. GLEW entpacken 4. Datei GLEW\bin\glew32.dll nach C:\Windows\System32 kopieren 5. Datei GLEW\lib\glew32.lib nach C:\Programme\Microsoft Visual Studio 8\VC\PlatformSDK\Lib 6. Dateien GLEW\include\GL\{glew.h wglew.h} nach C:\Programme\Microsoft Visual Studio 8\VC\PlatformSDK\Include\GL KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

34 GLEW installieren - Visual Studio GLEW von laden 2. Binaries Version für Windows wählen 3. GLEW entpacken 4. Datei GLEW\bin\glew32.dll nach C:\Windows\System32 kopieren 5. Datei GLEW\lib\glew32.lib nach C:\Program Files\Microsoft SDKs\Windows\v6.0A\Lib kopieren 6. Dateien GLEW\include\GL\{glew.h wglew.h} nach C:\Program Files\Microsoft SDKs\Windows\v6.0A\Include\GL kopieren KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

35 GLEW Libs - Visual Studio 2005 & Projekt Eigenschaften 2. Konfiguration auf Alle Konfigurationen stellen 3. Konfigurationseigenschaften Linker Eingabe Zusätzliche Abhängigkeiten: glew32.lib eintragen KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich

36 Literatur OpenGL Shading Language (2nd Edition) Rost et al., Addison-Wesley, 2006 Quick Reference df Tutorials, z.b. KOBLENZ LANDAU Niklas Henrich