Seminar: GPU-Methoden für die Visualisierung und Computergraphik

Transkript

1 Seminar: GPU-Methoden für die Visualisierung und Computergraphik Markus Huber, Grzegorz Karch, Michael Krone, Rudolf Netzel, Thomas Ertl Vorbesprechung

2 Organisatorisches Das Seminar findet ab dem (Vorlesungsbeginn) vermutlich in Raum (VISUS-Gebäude, Allmandring 19) statt Zeit wird noch bekannt gegeben 20 Teilnehmer, zwei Vorträge pro Termin Es besteht Anwesenheitspflicht bei allen Vorträgen Aktive Teilnahme (Fragen, Diskussion)! Änderungen werden auf Veranstaltungswebseite angekündigt

3 Vortrag Vortrag sollte etwa 30 min dauern Anschließend Fragen & Diskussion/Kritik (Kommilitonen & Mitarbeiter) Keine reine Aneinanderreihung der Referenzliteratur! Gegebene Literatur durch eigene Recherche sinnvoll ergänzen Grundlegende Methoden zum Thema selbst recherchieren und ausführlich darstellen Eigene Beispiele! Folienvorlagen für OpenOffice und PowerPoint auf der Webseite (eigenes Design möglich) Laptop wird bei Bedarf gestellt (vorher anmelden)

4 Ausarbeitung Schriftliche Ausarbeitung ist in LaTeX zu erstellen Vorlage wird zur Verfügung gestellt (Website) Themen sind umfassend darzustellen Behandeltes Verfahren detailliert und in eigenen Worten erläutern Keine reine Übersetzung der Referenzliteratur Inhalt muss über den Vortrag hinausgehen Umfang: 6-8 Seiten Literaturverzeichnis aller verwendeten Referenzen (in BibTeX) Quellen (auch bei Bildern) sind zu benennen Bei Fragen bitte frühzeitig an Betreuer wenden!

5 Abgabefristen Spätestens drei Wochen vor dem eigenen Vortrag Rücksprache mit Betreuer über die Gliederung des Vortrages Spätestens zwei Wochen vor dem eigenen Vortrag Ausgearbeitete Vortrags-Folien mit dem Betreuer besprechen Direkt nach dem Vortrag Folien beim Betreuer in elektronischer Form abgeben (Source-File & PDF) Innerhalb von 4 Wochen nach dem Vortrag bzw. spätestens bis zum Vorlesungsende (was früher eintritt!) Abgabe der Ausarbeitung in elektronischer Form (Source-File und PDF)

6 Themen- & Terminübersicht Nr. Thema Bearbeiter 1 Graphik-Pipeline 2 Deferred Shading: SSAO und mehr 3 GPGPU: Architekturen und APIs 4 Direct Volume Rendering 5 Schattenberechnung für Echtzeit-Graphik 6 Raytracing auf GPU 7 Fluidsimulation mit SPH 8 Partikelrendering 9 Datenstrukturen auf der GPU 10 Rendering großer Dreiecksgitter 11 Level of Detail 12 Terrain-Visualisierung 13 Prozedurale Modellierung 14 Graph-Rendering/-Layouting auf GPU 15 Kollisionsdetektion 16 Berechnung von Optischem Fluss auf GPU 17 Volumenrendering für unstrukturierte Gitter 18 Volumenrendering von Elementen höherer Ordnung 19 Texturbasierte Strömungsvisualisierung 20 GPU-Cluster für Visualisierung

7 Graphik-Pipeline Aufbau der Rendering/Graphic Pipeline Ein-/Ausgabe Unterschiede OpenGL / Direct3D Programmierbare Shader Vertex, Tessellation, Geometry, Fragment Texturen, Rasterisierung etc. 7

8 Deferred Shading: SSAO und mehr Screen-Space Ambient Occlusion (SSAO) Pflicht Überblick, Algorithmus, Variationen Plus ein oder mehr von: Motion Blur Depth of Field Sun Rays [Shanmugam2007] [McGuire2012] 8

9 GPGPU: Architekturen und APIs GPGPU: General-Purpose computation on Graphics Processing Units SIMD, MIMD, Beschreibung CUDA, OpenCL, Compute Shader, Vorteile, Nachteile Anwendungen Verbreitung [NVIDIA] 9

10 Direct Volume Rendering Überblick über verschiedene Direct Volume Rendering Methoden GPU-Ray-Casting/Marching, Splatting, Cell Projection, Stack of Slices Marching Cubes Transferfunktionen Beschleunigungsmethoden und Verbesserungen Pre-integration, Early Ray Termination

11 Schattenberechnung für Echtzeit-Graphik Techniken für harte Schatten (Schlagschatten) Shadow Maps Shadow Volumes Verbesserungen Soft Shadows (weiche Kanten) Anti-Aliasing 11

12 Raytracing auf der GPU Globale Beleuchtung mittels Strahlenverfolgung (vs. Rasterisierung) Meist offline auf CPU(s) Interaktive Techniken Strahlentraversierung auf der GPU Hierarchische Datenstrukturen (kd-trees) Quelle: Ritschel et al Quelle: Popov et al

13 Fluidsimulation mit SPH Partikelbasierte Simulation von Fluiden in der Computergraphik mit der Methode der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Hohe Anzahl von Partikeln Interaktive Laufzeiten Quelle: Goswami et al

14 Partikelrendering Effiziente Darstellung vieler Partikel z.b. zur Visualisierung von Simulationen Tessellierung vs. Raycasting Partikelsysteme für Computergraphik Rauch, Feuer etc. 14

15 Datenstrukturen auf der GPU Spezialisierte Datenstrukturen für effizientes Rechnen auf GPUs Allgemein: Datenstrukturen auf GPUs Spezielle Datenstrukturen, z.b. hierarchische Datenstrukturen (GPU Octree) Quelle: GPU Gems 2 15

16 Rendering großer Dreiecksgitter Nur sichtbare Teile des Modells darstellen (Occlusion Culling) z.b. Computerspiele oder CAD Daten zu groß für GPU-Speicher Mesh-Partitionierung Streaming von CPU zu GPU 16

17 Level of Detail Reduzierung der Komplexität eine Scene Effizienz des Renderings verbessern Workload verringern Metriken Object Importance, Viewpoint-Relative Speed oder Position Umsetzung Beispiele mipmaps

18 Terrain-Visualisierung Interaktive Visualisierung von hochaufgelösten Terrains Datenstrukturen Level-of-Detail Quelle: Losasso und Hoppe

19 Prozedurale Modellierung Automatische Erstellung von Bäumen, Häuserfasaden, Landschaften etc. nach bestimmten Mustern 19

20 Graph-Rendering/-Layouting auf GPU Grundlagen der Graph-Layouting Typen Datenmodel für GPUs Rendering [Panagiotidis2015] [Frishman2007] 20

21 Kollisionsdetektion Schnelle Erkennung von Nähe von Objekten und Berechnung ihrer Distanz in unterschiedlichen Anwendungen Mehrkörpersimulation (N-body Simulation) Virtuelle Realität (VR) Physikalisch-basierte Simulation in der CG Quelle: Pabst et al Quelle: Lauterbach et al

22 Berechnung von Optischem Fluss auf GPU Berechnung der Pixelverschiebung zwischen zwei Zeitschritten Lösen einen LGS mit (n*m) Gleichungen Ziel Allgemeine Funktionsweise globaler Berechungsmethoden Numerische Lösungsverfahren auf der GPU

23 Volumenrendering für unstrukturierte Gitter Beschreibung des unstrukturierten Gitters Herausforderungen Optimierungen [Shih2015] [Silva2005] 23

24 Volumenrendering von Elementen höherer Ordnung Elementen höherer Ordnung Beschreibung Basis-Funktionen höherer Ordnung Analyze der Methoden [Bock2012] [Üffinger2010] 24

25 Texturbasierte Strömungsvisualisierung Dichte Repräsentation von Strömungen/Vektorfeldern 2D, 3D, Advektion Ziel Überblick über verschiedene Methoden Schlüsselaspekte für die Umsetzung auf der GPU (LIC)

26 GPU-Cluster für Visualisierung Überblick über die Architektur verschiedener Clustersysteme/Interfaces MPI, Xeon Phi Nutzung von Rechenclustern zur Visualisierung auf Large Displays

27 Themen- & Terminübersicht Nr. Thema Bearbeiter 1 Graphik-Pipeline 2 Deferred Shading: SSAO und mehr 3 GPGPU: Architekturen und APIs 4 Direct Volume Rendering 5 Schattenberechnung für Echtzeit-Graphik 6 Raytracing auf GPU 7 Fluidsimulation mit SPH 8 Partikelrendering 9 Datenstrukturen auf der GPU 10 Rendering großer Dreiecksgitter 11 Level of Detail 12 Terrain-Visualisierung 13 Prozedurale Modellierung 14 Graph-Rendering/-Layouting auf GPU 15 Kollisionsdetektion 16 Berechnung von Optischem Fluss auf GPU 17 Volumenrendering für unstrukturierte Gitter 18 Volumenrendering von Elementen höherer Ordnung 19 Texturbasierte Strömungsvisualisierung 20 GPU-Cluster für Visualisierung