Pipeline de Visualização Câmara Virtual

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1 Pipeline de Visualização Câmara Virtual Edward Angel, Cap. 5 Instituto Superior Técnico Computação Gráfica 2009/2010 1

2 Na última aula... Transformações Geométricas Composição de Transformações Deformação Lateral Transformações no espaço 3D Matriz de transformação composta Grafos de Cena

3 Sumário Pipeline de Visualização 3D Câmara Virtual

4 Computação Gráfica Pipeline de Visualização 3D

5 Que Visualização? Conhecido por Rendering Interactivo 3D em Tempo Real Cenas 3D Realismo Tempo Real Interactividade Paradigma de aplicação: Jogos 5

6 Modelo Câmara Virtual Paradigma de uma câmara fotográfica virtual: Analogia com funcionamento de máquina fotográfica Complexidade Modelo Simples (OpenGL e Direct3D) Modelo Completo ou PHIGS (normas GKS e PHIGS) Objectivo: geração de uma vista (imagem) da cena 3D com base na posição e orientação de um observador 6

7 Geração de Vistas 7

8 Pipeline Visualização 3D 8

9 Pipeline Visualização 3D Input: Cena 3D possibilidade de utilizar aplicações de modelação Autocad 3DStudioMax Maia, Blender, etc Output: Imagem no ecrã 9

10 Sequência de Operações Primeiro Andar do Pipeline Aplicação responsável pela obtenção de tempo-real, interactividade e incremento do realismo. Andar implementado em software. Input: base de dados da cena. Contemplar: Suporte de periféricos de E/S Navegação Técnicas de aceleração Detecção de colisões Geração de uma sopa de polígonos 10

11 Sequência de Operações Segundo Andar do Pipeline Transformação de Visualização e Prohecção Back-Face Culling Recorte 3D Transformação Perspectiva Modelo de Iluminação Mapeamento no viewport. 11

12 Sequência de Operações Terceiro Andar do Pipeline Rasterização Remoção de superfícies ocultas (HSR) Sombreamento Texturas e outros efeitos para maior realismo Sombras, etc 12

13 Pipeline de Baixo Nível APIs Gráficas (OpenGL, Direct3D) realizam os andares Input Transformações Geométricas Rasterização primitivas gráficas simples fundamentalmente polígonos Pipeline de baixo nível em hardware Pipeline de baixo nível chipsets GeForce da NVídia e Radeon da ATI 13

14 Desempenho Complexidade da cena número de polígonos reflecte-se no número de cálculos a efectuar nos andares do pipeline de baixo nível FLOPs no andar das transformações Geométricas Operações inteiras e acessos a memória no andar de Rasterização relação com a resolução em pixels do dispositivo de saída Desempenho de pipeline determinado por throughput do andar mais lento 14

15 Desempenho Exemplo Cena com 100K polígonos e resolução 1280 x FPS sistema terá de processar 100K polígonos por cada 400ms 920 milhões de flops nos cálculos geométricos 1006 milhões de operações inteiras 1270 milhões de acessos à memória Bottleneck andar de Rasterização 15

16 Definição do Problema Objectivo Síntese de imagem com grande grau de realismo em tempo real >25 fps para cenas complexas > polígonos Cena 3D Número Total de Polígonos Hardware Gráfico >> Taxa de desenho de polígonos 16

17 Questão Fundamental Aumento da complexidade da cena a fim de se obter um elevado nível de realismo Recursos computacionais limitados necessidade de intervir ao nível da aplicação minimizar o número de polígonos a serem enviados para o pipeline de visualização de baixo nível para garantir uma taxa de desenho de 25fps (tempo-real) Adoptar estratégias específicas que permitam aumentar o realismo da visualização da cena sem comprometer a taxa de desenho. 17

18 Soluções Existentes Técnicas de aceleração ao nível da aplicação Determinação do que será visível View frustum culling Remoção de oclusões Redução da complexidade da cena Reduzir o detalhe geométrico Técnicas baseadas em Imagens 18

19 Sistema de Visualização Geral Utilizador define conjunto de parâmetros Estabelecem transformação que conduz a mapeamento de pontos em WCS (3D) em pontos sobre uma superfície de visualização (2D) 19

20 Sistema de Visualização Geral Utilizador tem de especificar A posição da câmara (em WCS) A posição e a orientação do Plano de Visualização em WCS Um Volume de Visualização no qual reside a porção de cena que pretende visualizar 20

21 Vista 3D Arbitrária Construir vista 3D arbitrária passa por: Colocar objectos num referencial VRC Estabelecido de acordo com a posição de câmara a orientação da câmara Também denominado Referencial da Câmara Viewing Reference Coordinates Visualizar apenas os objectos (ou parte deles) localizados no interior do volume de visualização 21

22 Computação Gráfica Câmara Virtual

23 Modelo da Câmara Virtual Simples Parâmetros Posição da câmara VRP (View Reference Point) Direcção para onde aponta a câmara VPN (View Plane Normal) Define plano de visualização Rolamento da câmara VUV (View Up Vector) Define o ângulo de rotação em torno de VPN Distância de VRP ao plano de projecção D VUV VPN VRP D VPN VRP

24 Posição (eyepoint) Define ponto de tomada de imagens VRP (View Reference Point) em relação à origem do WCS coincide com o Centro de Projeccção Três graus de liberdade Vector [x VRP y VRP z VRP ] no espaço WCS y w z w x w

25 Orientação do Plano de Visualização Definida por dois vectores VPN (View Plane Normal) Direcção de tomada de vistas Qualquer vector [x n, y n, z n ] no espaço WCS VUV (View Up Vector) Rotação da câmara em torno do VPN Definido por projecção de VUV (Vector especificado pelo utilizador) Sobre plano de visualização Paralelamente a VPN VUV VUV VPN

26 Viewing Reference Coordinates Origem em VRP Eixo u tal que (u, v, n) sistema ortogonal mão esquerda. y w v v VRP u n vpn n n sai da câmara u z w x w Em OpenGL: referencial da câmara é orientado segundo regra da mão direita

27 Determinar VRC Determinar u, v, n (em WCS) (u, v, n): base ortonormada n: vector unitário na direcção VPN VUV: projecção de VUV no plano perpendicular a n VUV introduzido pelo utilizador Sequência de passos: 1) 2) n = VUV VPN VPN = VUV VPN ( VPN VUV ) VUV 3) v =, VUV u = n v

28 Janela de Visualização Definida sobre o Plano de Projecção, em VRC por indicação das suas dimensões 2h (altura) e 2w (largura). Variante: introduzir relação de aspecto e uma dimensão Obrigatoriamente centrada no ponto VRP Centro é CW (Center of Window) CW = (0, 0, D). Janela de Visualização w Plano de Visualização v VPN h VRP u

29 Modelo da Câmara Virtual Simples Até agora introduziram-se os parâmetros: VRP em coordenadas WCS Vectores orientação (VPN e VUV ) em coordenadas WCS Dimensões h e w da janela de visualização

30 Volume de Visualização Contém tudo o que está visível na direcção do observador O que vê a câmara? Definição e topologia dependem do tipo de projecção Volumes cónicos Computacionalmente pesados Sistema de equações quadráticas para fazer o recorte

31 Projecções Geométricas Planas Existem dois tipos principais Projecção Perspectiva Projecção Ortogonal Raios Projectores A A B Raios Projectores A A B CDP B Plano de Projecção Direcção de Projecção B Plano de Projecção Determinada pelo centro de projecção (CDP) Distância do CDP ao plano finita Os raios projectores são convergentes Determinada por direcção de projecção Distância do CDP ao plano infinita. Os raios projectores paralelos entre si

32 Volume de Visualização Projecção Perspectiva Definido pelo tronco de pirâmide infinita vértice no centro de projecção (VRP) lados sobre a janela de visualização. Recorte da cena sobre este volume antes da projecção não ficam projectados objectos atrás do centro de projecção vpn y w z v n CW v u z w x w

33 Abertura do Volume Perspectivo FOV: Field of View Y v Vista lateral do volume v VRP n Jan. Vis. D CW h Z v Θ V : abertura vertical tg (Θ V / 2) = h / D Vista topo do volume VRP u n D Jan. Vis. CW w Z v Θ W : abertura horizontal tg (Θ W / 2) = w / D X v 4 Planos laterais no referencial VRC X v = + (w / D) * Z v Y v = + (h / D) * Z v

34 Volume de Visualização Projecção Ortogonal Definido pelo paralelipípedo infinito passando pelos lados da janela de visualização de arestas paralelas à direcção VPN. O eixo central do paralelipípedo coincide com o eixo n. paralelepípedo (FOV = 0) Projecção e Recorte mais Simples largura v VPN altura u

35 Limitações do Volume de Visualização Consequências negativas Utilização volume de visualização infinito mais evidentes no caso de Projecções em Perspectiva Objectos muito afastados depois de transformados podem resumir-se a um pequeno borrão desperdício em tempo de computação Projecções de objectos demasiado próximos podem gerar um resultado gráfico caótico.

36 Limitações do Volume de Visualização Solução: Definir planos de recorte paralelos ao plano de projecção através da sua distância a VRP medida ao longo da direcção de VPN Plano anterior distância F ao centro de projecção (VRP) Plano posterior distância B ao centro de projecção (VRP) Restrições (Referencial VRC orientado segundo mão esquerda ): Distância F positiva; Distância F < Distância B

37 Planos de Recorte Volume entre planos de recorte determina o que a camara vê Posição dos planos definida por distância na direcção do VPN plano recorte anterior plano recorte posterior ignorado desenhado recortado ignorado

38 Volume de Projecção Perspectiva (Frustum) B Θ H D F VRP Plano anterior Pl. anterior Jan. Vis. Janela de visualização CW Plano posterior Pl. Posterior Eixo central z v Θ V VRP F CW Eixo central z v D B

39 Volume de Projecção Ortogonal largura v VRP u z v altura

40 Volumes de Visualização Resumo das características gerais Volume ortogonal: paralelípedo definido pelos seguintes planos -w xv w -h yv h F zv B Volume perspectivo: frustum definido pelos seguintes planos - (w / D) * zv xv (w / D) * zv - (h / D) * zv yv (h / D) * zv F zv B

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