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SISTEMAS GRÁFICOS

GRUPO DE PROCESADO DE IMAGEN Y REALIDAD VIRTUAL ETSI Telecomunicación. Universidad de Vigo. SISTEMAS GRÁFICOS. TMM: Tecnoloxia Multimedia. 2006. Donde Estamos? Generalidades. Gráficos Interactivos Interfaces herramientas CAD Interfaces herramientas de Modelado 3D Entretenimiento

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  1. GRUPO DE PROCESADO DE IMAGEN Y REALIDAD VIRTUAL ETSI Telecomunicación. Universidad de Vigo SISTEMAS GRÁFICOS TMM: Tecnoloxia Multimedia. 2006

  2. Donde Estamos?Generalidades • Gráficos Interactivos • Interfaces herramientas CAD • Interfaces herramientas de Modelado 3D • Entretenimiento • Interiores • etc...

  3. Donde NO Estamos?Generalidades • Imágen Fotorealista • Películas • Post Producción • Técnicas • Ray-Tracing (POV Ray)

  4. Arquitectura Hardware IGeneralidades • CPU • RAM • BUS • VRAM • GPU • DAC CPU RAM BUS (PCI, AGP, PCI Express) Tarjeta Gráfica

  5. Arquitectura Hardware IIGeneralidades RAM • Lee datos RAM • Escribe VRAM a través del Bus PCI • GPU lee VRAM • DAC genera señal de Video CPU BUS PCI/ISA/VESA LB VRAM Dual-Port Memory Flicker – Retrazo Vertical PCI : 133 MB/s VRAM DAC GPU

  6. Arquitectura Hardware IIIGeneralidades • GPU accede directamente a la RAM del equipo • Tarjeta Gráfica tiene memoria local • GPU procesador complejo CPU RAM Velocidades de bus AGP x4 : 1 GB/s AGP x8: 2.1 GB/s PCI-Express (x16): 4GB/s BUS AGP/PCI Express DAC VRAM GPU

  7. Arquitectura Hardware IVGeneralidades • MultiGPU • Permiten la conexión de varias tarjetas de videoMejora del rendimiento • Dos Soluciones: ATI CrossFire y nVidia SLI

  8. Arquitectura Hardware VGeneralidades • SLI: Scalable Link Interface • Require 2 PCI-Express x16 • 2 o 4 tarjetas (QUAD SLI) • Tarjetas idénticas conectadas por una PCB • Formas de trabajo: • SFR: Split Frame Rendering • AFR: Alternate Frame Rendering

  9. Arquitectura Hardware IVGeneralidades • ATI Cross-Fire • Las tarjetas no tienen que ser idénticas • Master Card Composition chip • Modos de Funcionamiento: • Super Tiling • Scissor (SFR) • Alternate Frame Rendering (AFR) • CrossFire SuperAA

  10. Arquitectura Hardware VGeneralidades • ATI Cross-Fire. Diagrama

  11. Coordenadas Homogéneas (x, y, z) -> (x, y, z, 1) Transformación Afín x -> Ax +b Matriz de Transformación A b 0 1 Matemáticas IGeneralidades • Coordenadas Homogéneas • Permiten representar transformaciones afines como operaciones con matrices • Transformaciones Afines: Transformación lineal + Traslación • Rotación, Escalado, Proyección... • Transformar un vector en coordenadas homogéneas == Multiplicarlo por la matriz • Composición de Transformaciones = = Producto de Matrices

  12. Quaternion v = a + b·i + c·j + d·k = a + u Propiedades i*i = j*j = k*k = -1 ij=k, jk=i, ki=j ji=-k, kj=-i, ik=-j Matemáticas IIGeneralidades • Quaternions • Se pueden ver como una generalización de los númeroscomplejos • Representan rotaciones respecto a un eje • Utilizados para realizar rotaciones suaves: • Spherical Linear Interpolation (SLERP)

  13. Notas Desarrollado por SGI en 1992 Soportado en la mayoria de plataformas existentes en la actualidad IntroduccionOpenGL • API de bajo nivel (primitivas gráficas sencillas) • Utilidades de mas alto nivel GLU, GLUT • Utility and Utility Toolkit • No proporciona Widgets/Ventanas • Se requiere un interfaz con el sistema de ventanas (glx/wglx, SDL, glut,...) • Alternativa: • Microsoft DirectX (Direct3D)

  14. Introduccion OpenGL • La especificacion la gestiona el Architecture Review Board (ARB) • Existen varias extensiones a la especificacion • ARB, NV, HP, SGI, etc... • Dos libros para empezar: • Libro Rojo (Redbook):OpenGL Programming Guide • Libro Azul (BlueBook): OpenGL Reference Manual Sitio Oficial www.opengl.org

  15. Aplicaciones GraficasOpenGL • Estructura general de una aplicación Gráfica • INICIALIZACIÓN • BUCLE INFINITO PRINCIPAL • Lee Eventos • Procesa Eventos • Render Frame • Duerme Proceso

  16. MatricesOpenGL. Conceptos Generales • Trabajaremos con coordenadas homogéneas y matrices de transformación. • Matrices • PROJECTION_MATRIX: Prespectiva/ortonormal • MODELVIEW_MATRIX: Representación • TEXTURE_MATRIX: Manipulación de texturas • OpenGL permite la manipulación sencilla de las matrices: glTranslatef (4.0f, 0.0f, -10.0f); -> Genera una traslación

  17. BuffersOpenGL Conceptos Generales • OpenGL gestiona diversos buffers necesarios para la representación de los gráficos: • COLOR_BUFFER: Imagen generada • Z_BUFFER: Información de profundidad de cada pixel de la imagen • STENCIL_BUFFER: Enmascarado de pixels • ACCUMULATION_BUFFER: Buffer de acumulación

  18. Hola Mundo con GLUT IOpenGL Programacion • Creando la ventana #include <GL/gl.h> #include <GL/glu.h> #include <GL/glut.h> int main (int argc, char *argv) { glutInit (&argc, argv); glutInitDisplayMode (GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); glutInitWindowSize (500, 500); glutCreateWindow (argv[0]); init (); ...

  19. Hola Mundo con GLUT IIOpenGL Programacion • Preparando Eventos ... glutDisplayFunc (display); glutReshapeFunc(reshape); glutMainLoop(); return 0; } void init(void){ glClearColor (0.0f, 0.0f, 0.0f); glShadeMode (GL_FLAT); }

  20. Hola Mundo con GLUT IIIOpenGL Programacion • Render. La funcion display void display(void) { glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f (1.0, 1.0, 1.0); glLoadIdentity (); /* clear the matrix viewing transform*/ gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0); glScalef (1.0, 2.0, 1.0); /* modeling transformation */ glutWireCube (1.0); glFlush (); }

  21. TransformacionesOpenGL Programacion • Tres transformaciones: • Translaciones • glTranslatef (desp_x, desp_y, desp_z); • Rotaciones • glRotatef (angulo, x, y, z); • Escalado • glScalef (escala_x, escala_y, escala_z);

  22. Hola Mundo con GLUT IIIOpenGL Programacion • Cambiando ViewPort. Funcion reshape void reshape (int w, int h) { glViewport (0, 0, (GLsizei) w, (GLsizei) h); glMatrixMode (GL_PROJECTION); glLoadIdentity (); glFrustum (-1.0, 1.0, -1.0, 1.0, 1.5, 20.0); glMatrixMode (GL_MODELVIEW); } MATRIX DE PROJECCION glFrustum: Prespectiva glOrtho: Ortografica

  23. Hola Mundo con GLUT IIIOpenGL Programacion • Proyeccion: Prespectiva y Ortografica MATRIX DE PROJECCION glFrustum: Prespectiva glOrtho: Ortografica

  24. Usando el Teclado IOpenGL Programacion • Funcion de gestion de eventos de teclado ... /* En main */ glutKeyboardFunc (keyboard); ... void keyboard (unsigned char key, int x, int y) { switch (key) { case 'a': rotX += 10.0f; break; case 's': rotX -= 10.0f break; } glutPostRedisplay(); }

  25. Usando el Teclado IIOpenGL Programacion • Nueva funcion display static GLfloat rotX; void display(void) { glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT); glColor3f (1.0, 1.0, 1.0); glLoadIdentity (); gluLookAt (0.0, 0.0, 5.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 1.0, 0.0); glScalef (1.0, 2.0, 1.0); glRotatef (rotX, 1.0f, 0.0f, 0.0f); glutWireCube (1.0); glFlush (); }

  26. Usando el RatonOpenGL Programacion • Funcion de gestion de eventos de raton ... /* En main */ glutMouseFunc (mouse); ... void mouse (int button, int state, int x, int y) { switch (button) { case GLUT_LEFT_BUTTON: if (state == GLUT_DOWN) rotX += 10.0f; break; case GLUT_RIGHT_BUTTON: (...)} glutPostRedisplay(); }

  27. GeometriasOpenGL Programacion • Dibujando un Triangulo Rojo void triangle(void) { glBegin (GL_TRIANGLES); glColor3f (1.0, 0.0, 0.0); glVertex2f (5.0, 5.0); glVertex2f (25.0, 5.0); glVertex2f (5.0, 25.0); glEnd(); } GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_TRIANGLES_STRIP GL_TRIANGLES_FAN GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON glVertex2{fd} (x, y) glVertex3{fd} (x, y, z) glVertex4{fd} (x, y, z, w) void init(void) { glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_FLAT); }

  28. GeometriasOpenGL Programacion • Primitivas de Dibujo Geometrico GL_POINTS GL_LINES GL_LINE_STRIP GL_LINE_LOOP GL_TRIANGLES GL_TRIANGLES_STRIP GL_TRIANGLES_FAN GL_QUADS GL_QUAD_STRIP GL_POLYGON

  29. Geometrias y SombreadoOpenGL Programacion void init(void) { glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_SMOOTH); } • Triangulo de color void triangle(void) { glBegin (GL_TRIANGLES); glColor3f (1.0, 0.0, 0.0); glVertex2f (5.0, 5.0); glColor3f (0.0, 1.0, 0.0); glVertex2f (25.0, 5.0); glColor3f (0.0, 0.0, 1.0); glVertex2f (5.0, 25.0); glEnd(); }

  30. Hidden-Surface RemovalOpenGL Programacion • Uso del Z-Buffer int main (int argc, char* argv[]) { ... glutInitDisplayMode (GLUT_DEPTH | GLUT_SINGLE | GLUT_RGB); ... } void display(void) { glClear (GL_COLOR_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); /* Dibuja figuras solapadas */ ... }

  31. Iluminacion IOpenGL Programacion • Definicion de Luces • Ambiente: Luz ambiental proveniente de todas direcciones • Difusa: Luz que proviene de una direccion y rebota en una superficie en todas direcciones • Especular: Luz que proviene de una direccion y rebota en otra direccion definida • Materiales • Definen la reflectancia ambiental, difusa y especular de una superficie

  32. Iluminacion IIOpenGL Programacion • Definiendo Luces y Materiales void init(void) { GLfloat light_position[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 0.0 }; GLfloat mat_specular[] = { 1.0, 1.0, 1.0, 1.0 }; GLfloat mat_shininess[] = { 50.0 }; glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); glShadeModel (GL_SMOOTH); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SPECULAR, mat_specular); glMaterialfv(GL_FRONT, GL_SHININESS, mat_shininess); Posicion luces Direccional: w=0 Posicional: w=1 GL_SHININESS GL_AMBIENT GL_DIFUSSE GL_SPECULAR GL_EMISSION GL_AMBIENT_AND_DIFFUSSE

  33. Iluminacion IIIOpenGL Programacion • Definiendo Luces y Materiales 2 glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, light_position); glEnable(GL_LIGHTING); glEnable(GL_LIGHT0); glEnable(GL_DEPTH_TEST); } void display(void) { glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); glutSolidSphere (1.0, 20, 16); glFlush (); } GL_POSITION GL_AMBIENT GL_DIFFUSE GL_SPECULAR GL_SPOT_DIRECTION GL_SPOT_EXPONENT GL_SPOT_CUTOFF GL_CONSTANT_ATTENUATION GL_LINEAR_ATTENUATION GL_CUADRATIC_ATTENUATION

  34. Iluminacion IVOpenGL Programacion • Resultados

  35. TransparenciasOpenGL Programacion • Usando Transparencias • Habilitarlo con glEnable • Seleccionar funcion para el mezclado de colores • El orden de dibujado importa void init(void) { glEnable (GL_BLEND); glBlendFunc (GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA); glShadeModel (GL_FLAT); glClearColor (0.0, 0.0, 0.0, 0.0); }

  36. TransparenciasOpenGL Programacion • Usando Transparencias static void drawLeftTriangle(void) { /* draw yellow triangle on LHS of screen */ glBegin (GL_TRIANGLES); glColor4f(1.0, 1.0, 0.0, 0.75); glVertex3f(0.1, 0.9, 0.0); glVertex3f(0.1, 0.1, 0.0); glVertex3f(0.7, 0.5, 0.0); glEnd(); }

  37. Display Lists IOpenGL Programacion • Mejoran rendimiento cuando se dibuja una misma geometria repetidamente • Creacion y uso de Display Lists void init (void) { geom1 = glGenLists (1); glNewList (geom1, GL_COMPILE); /* Comandos OpenGL para generar la geometria*/ glEndList(); .... void display (void) { .... glCallList (geom1); GL_COMPILE GL_COMPILE_AND_EXECUTE

  38. Display Lists IIOpenGL Programacion • Ejecutando Multiples Display Lists void init (void) { GLuint base; base = glGenLists (128); glListBase (base); glNewList (base + 'A', GL_COMPILE); genera_letraA (); ... glNewList (base + 'Z', GL_COMPILE); genera_letraZ (); glEndList(); .... void display (void) { .... glCallLists (10, GL_BYTE, (GLbyte*) “HOLA MUNDO”);

  39. Texturas IOpenGL Programacion • Creacion de texturas Gluint texName; glGenTextures (1, &texName); glBindTexture (GL_TEXTURE_2D, texName); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_REPEAT); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_REPEAT); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, checkImageWidth, checkImageHeight, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, checkImage); GL_REPEAT GL_CLAMP

  40. Texturas IIOpenGL Programacion • Mapeando texturas glEnable(GL_TEXTURE_2D); glTexEnvf(GL_TEXTURE_ENV, GL_TEXTURE_ENV_MODE, GL_DECAL); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texName); glBegin(GL_QUADS); glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex3f(-2.0, -1.0, 0.0); glTexCoord2f(0.0, 1.0); glVertex3f(-2.0, 1.0, 0.0); glTexCoord2f(1.0, 1.0); glVertex3f(0.0, 1.0, 0.0); glTexCoord2f(1.0, 0.0); glVertex3f(0.0, -1.0, 0.0); ....

  41. Texturas IIIOpenGL Programacion GL_TEXTURE_2D GL_PROXY_TEXTURE_2D • Generacion de Texturas void glTexImage2D( GLenum target, GLint level, GLint internalFormat, GLsizei width, GLsizei height, GLint border, GLenum format, GLenum type, const GLvoid *pixels ) LoD 2m + 2b (en general potencias de 2) 0 o 1 Formato de pixels RGB, BYTE...

  42. Texturas IVOpenGL Programacion • Otras operaciones con texturas • glCopyTexImage2D: Obtiene imagen del Framebuffer • glTexSubImage2D: Sustituye una parte de la textura • Render to Texture, Texturas animadas,... • Texturas 1D • glTexImage1D: Textura de una dimension (linea)

  43. Texturas VOpenGL Programacion • LoD (Level of Detail). Mip Mapping • Del latin (Multim im parvo) • Original, 1/4, 1/16, 1/64 • OpenGL determina que textura utilizar dependiendo del tamaño del objeto (pixels) en el que se mapea • MipMapping • Hay que porporcionar todas las texturas, desde la original hasta 1x1 pixels

  44. Texturas VIOpenGL Programacion • Generando un Mipmap GLubyte mipmapImage32[32][32][4]; .... GLubyte mipmapImage1[1][1][4]; .... glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA, 32, 32, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, mipmapImage32); glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 1, GL_RGBA, 16, 16, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, mipmapImage16); ... glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 5, GL_RGBA, 1, 1, 0, GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, mipmapImage1);

  45. Texturas VIIOpenGL Programacion • MipMap Render glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texName); glBegin(GL_QUADS); glTexCoord2f(0.0, 0.0); glVertex3f(-2.0, -1.0, 0.0); glTexCoord2f(0.0, 8.0); glVertex3f(-2.0, 1.0, 0.0); glTexCoord2f(8.0, 8.0); glVertex3f(2000.0, 1.0, -6000.0); glTexCoord2f(8.0, 0.0); glVertex3f(2000.0, -1.0, -6000.0); glEnd();

  46. Texturas VIIIOpenGL Programacion • Filtrado de Texturas glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_NEAREST); glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_NEAREST); GL_TEXTURE_MAG_FILTER GL_NEAREST GL_LINEAR GL_TEXTURE_MIN_FILTER GL_NEAREST GL_LINEAR GL_NEAREST_MIPMAP_NEAREST GL_NEAREST_MIPMAP_LINEAR GL_LINEAR_MIPMAP_NEAREST GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR

  47. Otras FuncionalidadesOpenGL Programacion • Graficos 2D • Pixels, Bitmaps y Fonts. BitBliting • Tessellators y Quadrics (GLUT) • OpenGL no puede renderizar poligonos concavos rellenos • Tessellation : conversion a poligonos convexos

  48. Otras FuncionalidadesOpenGL Programacion • Framebuffer • Color Buffer: • Front, Back, Front-left, Front-right, Back-left, Back-right,.. • Right/Left depende de la implementacion OpenGL • Debe soportar GL_STEREO o GL_DOUBLEBUFFER • Depth Buffer • Ocultacion de Caras • Stencil Buffer • Enmascarado, contornos de objetos,...

  49. Otras FuncionalidadesOpenGL Programacion • Framebuffer • Accumulation Buffer • Motion Blur, Depth of Field, etc... • En general es muy lento

  50. Otras FuncionalidadesOpenGL Programacion • Evaluadores y NURBS • Evaluadores OpenGL para dibujar curvas 2D y 3D • GLUT soporte para generar superficies NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline)

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