Grundlagen der 3D-Grafik

Transkript

1 Seminar Programmierung von Grafikkarten Grundlagen der 3D-Grafik Dominik Bossdorf Christian Schulze Marco Sebastiao 1

2 Inhalt Grafikhardware Rendering Pipeline am Beispiel OpenGL 3D Theorie mit homogenen Koordinaten 2

3 Grafikhardware 3

4 Übersicht 4

5 GPU 5

6 AGP 6

7 PCI Express Klassisches Bridge-Modell (Bus-Topologie) Modernes Switch-Modell (Stern-Topologie) 7

8 PCI AGP PCIe 32 Bit 133 MByte/s 1x 266 MByte/s 1x 23 MByte/s 64 Bit 266 MByte/s 2x 532 MByte/s 4x 93 MByte/s 4x 1,6 Gbyte/s 8x 1,9 GByte/s 8x 2,1 GByte/s 16x 3,7 GByte/s 32x 7,5 GByte/s 8

9 Übersicht 9

10 PipeLine 1

11 11

12 Graphic Rendering PipeLine Application Stage Geometry Stage Rasterizer Stage 12

13 Application Stage (Software) Kollisionserkennung Eingabeverarbeitung von der Tastatur & Maus Aufgaben dieser Ebene stark Implementationsabhängig 13

14 Geometry Stage (Hardware) Model & View Tansform Lighting and Shading Projection Clipping Screen Mapping 14

15 Rasterizer Stage Richtige Farbe für den jeweiligen Pixel ermitteln und die Objekte danach einfärben 15

16 RAMDAC Random Access Memory Digital Analog Converter Wandelt die digitalen Steuer- und Synchronisierungs- Bildschirminformationen Pixelweise in Analoge Signale um. Steuert die Bildschirmwiederholfrequenz 16

17 FrameBuffer Beinhaltet ein Abbild von dem was auf dem Monitor abgebildet wird. Die benötigte Größe errechnet sich folgendermaßen: Erforderlicher Bildspeicher = Auflösung x Farbtiefe 17

18 RAMDAC-Aufbau 18

19 Wozu Speicher? 19

20 VRAM Wird auch bezeichnet als Dual Ported Ram GENIAL: Gleichzeitige Lese- und Schreibzugriffe möglich Besteht aus zwei Teilen: SAM (serial access memory) DRAM (dynamic random access memory) 2

21 Verbesserungen SGRAM (Synchronous Graphic Ram) Ermöglicht blockweißes Lesen und Schreiben MDRAM (Multi-Bank DRAM) Ist als Feld aufgebaut, dies ermöglicht eine Hohe Parallelisierung 3D RAM Speicherbausteine mit Integrierter Logik, dadurch sind manche Operationen (z.b.: Z-Buffer-Test) direkt im RAM möglich. 21

22 VGA-BIOS Ist eine Bibliothek von Funktionen die eine rudimentäre Schnittstelle zur Grafikkarte bietet Features Verschiedene Video-Modis CGA / EGA / VDA POST Power On Self Test Support von verschiedenen Schnittstellen & Erweiterungen (z.b. VBE, DDC) 22

23 Was ist OpenGL - Open Graphics Library - Schnittstelle zur Hardware - Weiterentwicklung von IrixGL - plattformunabhängig - Zustandsautomat 23

24 OpenGL Rendering Pipeline Pixeldata Textureassembly Display- Lists Vertex data Pixel- Operations Evaluators Rasteriz ation Per-Vertex Operations + Primitive assembly Per-fragment operations Framebuffer 24

26 Pixeldata - Unterschied zw. Bitmaps und Image-data - Bitmap für jedes Pixel 1 Bit an Daten - Rechteckigens Array aus,1 (Bitmaske) - Image-Data mehr Informationen pro Pixel ( RGBA, ) 26

28 Vertexdata Primitiven - Einfache geometrische Daten - Punkt, Linie, Dreieck, Quadrat - Durch Koordinaten der Eckpunkte repräsentiert.(verticles) 28

29 OpenGL_Primitiven TheRedBook 29

31 Framebuffer Daten aus der Rasterization werden hier gespeichert Besteht aus verschiedenen Buffers - Color-buffer (Farbwerte) - Stencil-buffer (Schablone) - Depth-buffer (Tiefeninformationen) - Accumulation-buffer (weitere Farbwerte) 31

33 Display-List - OpenGL-Befehle werden zur späteren Verwendung zwischengespeichert - Im Gegensatz zum immediate-mode - z.b. zur Mehrfachverwendung vom Objekten 33

35 Pixel operations - Bilddaten werde entpackt - Pixeldaten werden skaliert - Anwendung von Pixelmap 35

37 Texture-assembly - Rechteckige Arrays von Daten - z.b. Farbwerte, Farbe und Alphawert - Texel = einzelnes Element dieses Arrays - In OpenGL 1D, 2D oder 3D 37

38 Texture-Mapping - Textur-Objekt erstellen (rgba,z-wert ) - Textur auf jedes Pixel anwenden.replace mode.modulate(lightning).blending ( basierend auf fragment Farbe) 38

39 Texture-Mapping Textur muss auf das zu beklebende Fragment abgestimmt werden. Zusammenhang zwischen Textur und Fragment-Koordinaten 39

41 Evaluators Umrechnung von beschreibenden Gleichungen in Ortsvektoren Für komplexere geometr. Formen wir Kurven und Kugeln 41

43 Per-vertex Operations and primitive assembly Objekt Coord. Modelview matrix Projection matrix Perspective division Viewport Transformation Vertex -data Eyecoordinate Clip coordinate Normalized Device coord. Window coordinate 43

45 Per-vertex Operations Viewing- and modeling-transformation - Kamera wird positioniert - Objekt wird in der Szene positioniert - viewing- und modelling-transformation werden in der modelview-matrix gespiechert - Beleuchtung - Ergebnis Eye-coordinates 45

47 Primitive Assembly Projection Transformation - Projection-matrix bestimmt die Form der Viewing-Volume - Clipping - Objekte außerhalb der VV werden abgeschnitten - Unterschied zwischen perspective und orthographic Projection 47

48 Projection transformation TheRedBook 48

50 Primitive Assembly - Perspective Division - Coordinaten werden durch w geteilt - Ergebniss normalized device Coord. 5

52 Primitive assembly Viewport transformation - Viewport beschreibt die Position und Form des Darstellungsbereiches - Vergrösserung/Verkleinerung 52

53 3D - Theorie 53

54 54 3D Transformationen - kartesische Koordinaten - = + ' ' ' z y x z y x z y x a a a Translation (Verschiebung) : = z y x s s s z y x z y x ' ' ' Skalierung (Streckung/Stauchung): = z y x z y x ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( 1 ' ' ' α α α α Rotation (Drehung): um die x - Achse

55 55 3D Transformationen - Homogene Koordinaten - P = ( x, y, z, W ) P = ( x, y, z ) R = λ λ, ) ', ', ', ' ( ),,, ( W z y x W z y x ( 4, 6, 8, 2 ) = ( 8, 12, 16, 4 ) 1 W z W y W x

56 56 3D Transformationen - Homogene Koordinaten - Translation (Verschiebung): = 1 z y x ' ' ' z y x t t t z y x ( ) ( ) en. verschieb t t t um Translationsvektor T z y x P z y x =

57 57 3D Transformationen - Homogene Koordinaten - Rotation (Drehung): ( ) rden. gedreht we den Winkel um soll x α z y P = 1 z y x 1 ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( 1 ' ' ' α α α α z y x Drehung um die x Achse: = 1 z y x 1 ) cos( ) sin( 1 ) sin( ) cos( 1 ' ' ' α α α α z y x Drehung um die y Achse:

58 58 3D Transformationen - Homogene Koordinaten - ( ) rden. gedreht we um den Winkel soll x α z y P Rotation (Drehung): = 1 z y x 1 1 ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( 1 ' ' ' α α α α z y x Drehung um die z Achse:

59 3D Transformationen - Homogene Koordinaten - Rotation (Drehung): Rotation um eine beliebige Achse 1. Translation der Rotationsachse, d.h. Punkt P in den Ursprung 2. Rotation des Vektor um die y Achse so dass der Vektor in der xz Ebene liegt 3. Rotation des Vektor um die x Achse so dass der Vektor in der z - Achse liegt 4. Rotation um die z Achse mit dem gewünschten Winkel 5. Inverse Transformation aus Schritt 3 6. Inverse Transformation aus Schritt 2 7. Translation der Rotationsachse an den ursprünglichen Punkt P 59

60 ) cos( )) cos( (1 ) sin( 1 ) sin( 1 ) cos( )) cos( (1 ) sin( ) cos( )) cos( (1 ) sin( 1 ) sin( 1 ) cos( )) cos( (1 ) sin( 1 ) cos( x z y x z y x z x z y x y y x z z x y x z x z y x v d v v v v v v v v d B d A v v v v dl v v v v v d B d A v v v v d v v v α α α α α α α α α α α α α α α 3D Transformationen - Homogene Koordinaten - Rotation (Drehung): Rotation um eine beliebige Achse Allgemeine Form

62 Rasterization Umwandlung von Pixel- und Vertex-data in Fragmente Fragment entspricht quadratischer Fläche, die ein Pixel belegt Fragmente -Position -Farbwert -Alphawert -Tiefe 62

63 Rasterization - Antialising - Texturierung - Eckpunkte werden verbunden - Flächen werden gefüllt 63

65 Per-Fragment-Tests Verschiedene Tests auf jedes Pixelfragment - Scissortest - Stenciltest - Depthbuffertest - Alphatest 65

66 Depht-Buffer-Test - auch z-buffer-test - Zur Sichtbarkeitsprüfung von Objekten - Pixel die näher am Betrachtungspunkt liegen überdecken dahinter liegende. 66

67 Per-Fragment Operations - Fogging (Nebeleffekte) - Dithering (zur Farbmischung) - Blending (Transparenz) 67

68 Fazit Aufbau und Funktion einer Grafikkarte Rendering Pipeline Homogene Koordinaten 68

69 Quellen Literatur: Lehrbuch der Grafikprogrammierung, Klaus Zeppenfeld Real-Time Rendering, Thomas Akenine-Möller ; Eric Haines The OpenGl Programming Guide Bildquellen: TheRedBook 69