Computación Gráfica

Computación Gráfica
Introducción
Semestre 201321
CRN
Septiembre 2012 – Febrero 2013
Ciro Durán
Ingeniero en Computación
[email protected]
http://www.ciroduran.com
@chiguire
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Mecánica
¡Bienvenidos!
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Introducción
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Introducción
¿Qué es Computación Gráfica?
• La computación gráfica
generalmente se refiere a la
creación, almacenamiento
y manipulación de
modelos e imágenes.
• Tales modelos provienen
de diversos y cada vez mas
campos del conocimiento
como biología, física,
matemática, arte o incluso
estructuras conceptuales
abstractas.
Spam plant, por Alex Dragulescu,
MIT Media Lab. 2009.
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Video: SIGGRAPH 2012 Technical
Papers Preview
http://www.youtube.com/watch?v=cKrng7ztpog
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¿Qué es Computación Gráfica?
William Fetter acuñó el término
“computer graphics” en 1960 para
describir los nuevos métodos de diseño
que estaba investigando en Boeing.
• Creó una serie de imagenes ampliamente
reproducidas en un pen plotter
explorando el diseño de cabinas, usando
un modelo 3D del cuerpo humano.
•
“Tal vez la mejor manera de definir los gráficos por computadora es
encontrar lo que no es. No es una máquina. No es una computadora,
ni un grupo de programas de computadora. No es el conocimiento de
un diseñador gráfico, un programador, un escritor, un especialista en
películas, o un especialista en reproducción.
La computación gráfica es todo esto - una tecnolog{ia
concienzudamente manejada y documentada, dirigida hacia
comunicar información descriptivamente y con precisión.” Computer
Graphics, por William A. Fetter, 1966.
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¿Qué es Computación Gráfica
interactiva? (1/2)
•
•
El usuario controla los contenidos, estructura y
apariencia de los objetos y sus imágenes
desplegadas via un feedback visual rápido.
Componentes básicos de un sistema de
gráficos interactivos
– entrada/input (ej. mouse, tableta y lápiz, multitouch, etc.)
– procesamiento (y almacenamiento)
– despliegue/output (ej., pantalla, impresoras
basadas en papel, videograbador, etc.)
•
•
El primer sistema gráfico verdaderamente
interactivo, Sketchpad, se estrenó en el MIT
de mano por Iván Sutherland en su tesis de
Ph.D. en 1963.
Usó un mainframe transistorizado TX-2 en el
laboratorio Lincoln.
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¿Qué es Computación Gráfica
interactiva? (2/2)
•
Casi todos los elementos claves de los sistemas gráficos interactivos son
expresados en el primer párrafo de la tesis doctoral de Sutherland en
1963, Sketchpad, un sistema hombre-máquina de comunicación
gráfica:
– El sistema Sketchpad usa el dibujo como un medio novedoso de
comunicación para una computadora. El sistema contiene entrada, salida y
programas de computación que le permiten interpretar información
dibujada directamente en un monitor de computadora. Sketchpad se ha
mostrado más útil como una ayuda al entendimiento de procesos, tales
como el movimiento de enlaces, los cuales pueden ser descritos con
imágenes. Sketchpad también facilita hacer dibujos altamente repetitivos
o altamente precisos y cambiar los dibujos previamente hechos con el
mismo…
• Hoy en día usamos todavía un modo batch
no interactivo para los renders finales con
calidad de producción de video y filmes
(efectos especiales - FX). Hacer el render de
un solo cuadro de Cars 2 (una película de 24
fps) se toma un promedio de 11.5 horas en
un render farm de 12,500 núcleos.
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De dónde viene la computación
gráfica moderna (1/5)
• Revolución de hardware
– Ley de Moore: cada 12 a 18 meses, el poder de cómputo
aumenta por un factor de 2 en precio/desempeño a
medida que se reduce el tamaño físico.
– Avances significativos en chips gráficos de consumo
masivo cada 6 meses vs. varios años para CPUs de
propósito general.
• NVIDIA GTX 680... 3090.4 gigaflops
– Los procesores más nuevos son de 64 bits, con 2, 4, 6, 8, o
10 núcleos.
• Intel Core i7 - de consumo masivo, hasta 6 núcleos
hyperthreaded para proveer 12 hyperthreads.
• Intel Sandy Bridge EP - de uso industrial, 8 núcleos con
hyperthread, para llegar a 16 núcleos.
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De dónde viene la computación
gráfica moderna (2/5)
• Subsistemas gráficos
– Descargar el procesamiento gráfico del CPU a un chip especialmente
diseñado para hacer rápidamente operaciones gráficas.
– nVidia GeForce, ATI Radeon.
– Los GPUs son usados para computación de propósito especial,
también unidos para hacer supercomputadoras.
• El GPU ha llevado al desarrollo de otros subsistemas dedicados
– Física: nVidia PhysX PPU (Unidad de Procesamiento de Física),
estándar en muchos GPUs de nVidia.
– Inteligencia artificial: IBM Watson.
• Datos de hardware: NVIDIA GeForce GTX 460s
– 1.35GHz, 1GB de memoria, tasa de relleno de 37.8 billones de píxeles
por segundo.
– Tarjetas viejas: GeForce 7300 GT: reloj de 350MHz, 256MB de
memoria, tasa de relleno de 2.8 billones.
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De dónde viene la computación
gráfica moderna (3/5)
• Dispositivos de entrada
– Mouse, tableta y lápiz, multi-touch, force feedback, y
otros controladores de juego (ej. Wii), escáner, cámara
digital (imágenes, visión de computadora), etc.
– Cuerpo completo como dispositivo de interacción: Kinect
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De dónde viene la computación
gráfica moderna (4/5)
• Muchas formas diferentes de
dispositivos
– Celulares/PDAs (smartphones),
laptops/escritorios/tabletas.
– Microsoft PixelSenson en el Samsung
SUR40 (sucesor del Microsoft Surface)
– Sistemas de realidad virtual 3D
inmersivos, tales como el Brown's
Cave.
Brown’s
CaveTM
Apple iPhone™ Samsung Galaxy
SIII (Android)
Samsung
SUR40
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Introducción
Microsoft
Surface
Rediseño de CAVE
• Vieja Cave:
– 4 proyectores de 1024x786 en paredes de 8'x8' (8 a 10 píxeles
por pulgada)
– Muy bajo para muchas aplicaciones, y empeoró (el brillo y el
contraste deterioraron en el tiempo)
• Nueva Cave como se planea:
– 70 pantallas de 1080p o proyectores dispuestos en un cilindro
de 8'.
– Impulsado por un cluster de
~35 máquinas gráficas.
– No hay ángulos rectos, hasta
40 píxeles por pulgada (no se
pueden ver píxeles individuales
a una distancia normal de visión).
Credit: John Huffman, Brown CCV
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De dónde viene la computación
gráfica moderna (5/5)
• Mejoras de software
– Algoritmos y estructuras de datos
• Modelado de materiales
• Render de fenómenos naturales
• "Estructuras de aceleración de datos" para ray tracing.
– Paralelización
• La mayoría de las operaciones son trivialmente paralelas:
cambiar el valor de un pixel a menudo es independiente de
otros píxeles.
– Computación distribuida y en la nube
• Enviar operaciones a 'la nube', obtener resultados, sin
importar cómo.
• Render inclusive como servicio de internet.
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Introducción
Evolución del ambiente (1/5)
• Monitores de caracteres (1960s-hoy)
• Visualización: texto más pseudográficos alfamosaicos (ASCII art)
• Especificación de objetos y comandos: tipeado de línea de
comandos.
• Control sobre apariencia: código para formato de texto (.p =
párrafo, .i 5 = indentar 5)
• Control de aplicaciones: monotarea.
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Evolución del ambiente (2/5)
• Vectores (caligráficos, dibujo de líneas)
• Monitores (1963 - 1980x)
• Visualización: despliegue de dibujos
lineales y texto trazado; hardware para
transformación 2D y 3D.
• Especificación de objetos y comandos:
tipeado de línea de comandos, teclas
de función y menúes.
• Control sobre apariencia:
pseudo-WYSIWYG.
• Control de aplicaciones: mono o multitarea, computación distribuida via
host de mainframe <-> satélite de minicomputadoras.
• El término "gráficos vectoriales" sobrevive como libreria de "gráficos
vectoriales escalables" de Adobe y W3C - las formas como objetos
transformables en vez de sólo bitmaps.
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Introducción
Evolución del ambiente (3/5)
•
•
Monitores de bitmaps 2D rasterizados para PCs y
estaciones de trabajo (1972 en Xerox PARC hasta
ahora)
Visualización: ventanas, iconos, texto legible, gráficos
de “tierra plana”.
– Nota: los tardíos años 60 vieron el primer uso de gráficos
rasterizados, especialmente para simuladores de vuelo.
•
•
•
Especificación de objetos y commandos: tipeado
mínimo a través de WIMP (Windows, Icons, Menus,
Pointer, o Ventanas, Iconos, Menúes y Apuntador). GUI:
selección point-and-click de items de menu y objetos,
widgets y manipulación directa (ej. Drag and drop),
metáfora de “escritorio desordenado”.
Control sobre apariencia: WYSIWYG (lo que es
realmente WYSIAYG, lo que ves es todo lo que
obtienes).
Control de aplicaciones: computación multitasking, en
red cliente-servidor y menajador de ventanas (incluso
“terminales X”).
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Arriba, una interfaz clásica
WIMP. La tecnología en sí
Permanece intacta al día
de hoy. Abajo, una interfaz
WIMP moderna.
Introducción
Evolución del ambiente (4/5)
• Estaciones de trabajo de gráficos 3D
(1984 en SGI – hoy)
• Visualización: imagines de escenas 3D
pseudo-realísticas en tiempo real.
• Especificación de objetos y commandos:
dispositivos de entrada 2D, 3D y N-D
(que controlan más 3 grados de
libertad), dispositivos hápticos con force
feedback para apuntar y clickear,
widgets y manipulación directa.
• Control sobre apariencia: WYSIWYG
(todavía WYSIAYG)
• Control de aplicaciones: computación
multitarea, por red (cliente/servidor) y
Estaciones de trabajo gráfico
manejador de ventanas.
como esta han sido reemplazados
por hardware de consumo masivo
como los GPUs.
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Introducción
Evolución del ambiente (5/5)
PCs de altas prestaciones con sofisticadas tarjetas gráficas (nVidia
GeForce, ATI Radeon) han sustituido a las estaciones de trabajo gráficas.
• Tales PCs son ahora
organizadas en
clusters a través de
buses de alta velocidad
o LANs para proveer
“gráficos escalables”
para impulsar
PowerWalls, Caves, etc.
•
– Tal forma de cluster ahora
es accesible a los
consumidores a través de
nuevas tecnologías como
los puentes SLI (Scalable
Link Interface) de nVidia.
Puedes poner múltiples GPUs juntas en tu
Computadora usando SLI
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Introducción
Hardware de visualización de gráficos
Gráficos vectoriales (caligráficos,
de trazo, barrido al azar)
– Manejado por comandos de
despliegue (mover(x,y),
carácter(“A”), línea(x, y), etc.)
– Sobrevive como “gráficos
vectoriales escalables”
Ideal
Drawing
Vector
Drawing
Raster (TV, bitmap, pixmap) usado
en monitores e impresoras laser
– Manejado por un arreglo de
pixeles (sin semántica, forma
más baja de representación)
– Nótese los “jaggies” o errores
de aliasing debigo a las
primitivas de muestreo
contínuo.
Raster
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Outline
Introducción
Filled
Marco conceptual para gráficos
interactivos
• Los paquetes o librerías gráficas son intermediarios entre las
aplicaciones y el hardware de visualización (sistema gráfico).
• Las aplicaciones hacen una correspondencia entre objetos de la
aplicación a vistas (imágenes) de esos objetos al llamar a una
librería gráfica. El modelo de la aplicación puede contener
muchos datos no-gráficos (ej. Propiedades no geométricas del
objeto).
• La interacción del usuario produce una modificación del modelo o
de la imagen.
• Este marco de hardware y software tiene más de 4 décadas desde
que se concibió, pero es todavía útil.
Software
Modelo de la
aplicación/ base
de datos
Programa
Hardware
Librería
Gráfica
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Sistema
gráfico/
GPU
Introducción
Librería de gráficos
Ejemplos: OpenGL, DirectX, Windows Presentation
Foundation (WPF), RenderMan, AWT.
• Primitivas (caracteres, líneas, polígonos, meshes,
etc.)
• Atributos
•
– Color, estilo de línea, propiedades materiales para 3D
• Luces
• Transformaciones
• Modo inmediato vs. Modo retenido
– Modo inmediato: no hay representación almacenada,
el paquete sólo contiene un estado a trbiutos, y la
aplicación está encargada de dibujar completamente
cada fotograma.
– Modo retenido: la librería compila y muestra un grafo
de la escena que mantiene, un DAG complejo (gráfico
acíclico dirigido). Es un extracto centrado en la
visualización del Modelo de la Aplicación.
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Introducción
Distinciones de la aplicación: dos
paradigmas básicos
• Los gráficos basados en muestras:
muestras discretas son utilizadas
para describir la información
visual.
– Los píxeles se pueden crear
digitalizando imágenes, usando un
programa de “pintura” basado en
muestras, etc.
– A menudo algunos aspectos del
mundo físico se muestrean para
ser visualizados, ej., las
temperaturas de las corrientes
marítimas.
– Programas de ejemplo: Adobe
Photoshop, GIMP, Adobe
AfterEffects.
Introducción
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Distinciones de la aplicación: dos
paradigmas básicos
•
Gráficos basados en geometrías (también
llamados gráficos vectoriales escalables o
gráficos orientados a objetos): un modelo
geométrico se crea, junto con varios atributos
de apariencia, y luego es muestreado para
visualización (rendering, también conocido
como síntesis de imagen)
– A menudo algunos aspectos del mundo físico
son simulados visualmente, o “sintetizados”.
– Ejemplos de aplicaciones 2D: Adobe Illustrator,
Adobe FreeHand, Corel CorelDRAW.
– Ejemplos de aplicaciones 3D: Autodesk
AutoCAD2010, Autodesk Maya (antes de
Alias|Wavefront), Autodesk 3D Studio Max.
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Introducción
Gráficos basados en muestras (1/2)
• Las imágenes están hechas de grillas de píxeles discretos, o
“picture elements” 2D.
• Los píxeles son ubicaciones puntuales con valores asociadas a la
muestra, usualmente valores de intensidad lumínica o colores,
transparencia u otra información de control.
• Cuando muestreamos una imagen, hacemos la muestra de la
ubicación del punto a lo largo de una señal continua y no
podemos tratar los píxeles como pequeños círculos o cuadrados.
Patrón de iluminación de un rayo CRT
Visualización de
grilla matemática
de píxeles
Monitor LCD
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Intensidad de luz
1 pixel
No se puede resolver
Píxeles adyacentes en
CRT
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Gráficos basados en muestras (2/2)
•
Las muestras se crean directamente en un programa tipo pintura, o
como una muestra de materiales visuales continuos (análogos), ej. La
fotografía puede ser muestreada (intensidad de la luz o color medida en
intervalos regulares) con muchos dispositivos incluyendo:
– Escáner de tambor o de cama plana.
– Cámaras digitales o videocámaras.
– Dispositivos conectables tales como capturadores de vídeo.
•
•
Los valores de muestra pueden ser también introducidos
numéricamente (ej. Con números de un conjunto de datos
computarizado)
Una vez que una imagen se define como un arreglo de píxeles, puede ser
manipulado.
– Edición de imágenes: cambios hechos por el usuario, tales como cortar y
pegar secciones, herramientas tipo brocha, y procesar áreas selectas.
– Procesamiento de imágenes: operaciones algorítmicas que son ejecutadas
en la imagen (o una porción preseleccionada de la imagen) sin intervención
del usuario. Difuminación, afilado, detección de bordes, balance de color,
rotación, distorsión.
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Introducción
Muestreando una imagen
• Hagamos un muestreo de esta fotografía.
• Un valor de color se mide a lo largo de
cada punto de la grilla y se usa para
colorear el cuadrado correspondiente. (0,
blanco, 5, gris, 10, negro)
• Un muestreo y un método de
reconstrucción de imágenes pobres crea
una imagen “pixelada”.
0 = blanco, 5 = gris, 10 = negro
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Introducción
¿Cuál es la ventaja?
• Una vez que la imagen es definida
en términos de colores en puntos (x,
y) de la grilla, se pueden cambiar los
colores fácilmente alterando los
valores de ubicación o de color.
• Ejemplo, si invertimos la
correspondencia hecha
anteriormente y hacemos que 10
sea blanco y 0 negro, la imagen se
vería de esta manera: (imagen)
• La información de píxeles de una
imagen puede ser copiada y pegada
en otra, reemplazando o
combinando información de otros
píxeles previamente almacenados.
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Introducción
¿Cuál es la desventaja?
• WYSIAYG (lo que ves es todo lo que obtienes): no hay
información adicional
– No hay información de profundidad
– No se puede examinar la escena desde un punto de vista
distinto
– A lo sumo se puede jugar con los píxeles individualmente
o por grupos para cambiar colores, mejorar el contraste,
encontrar bordes, etc.
– Pero ha surgido recientemente un fuerte interés en el
rendering basado en imágenes para simular escenas 3D y
posiciones arbitrarias de cámaras. Nuevas imágenes
construidas por interpolación, composición, distorsión y
otras operaciones.
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Introducción
Gráficas basadas en geometría
Las aplicaciones gráficas basadas en geometría almacenan descripciones
matemáticas, o “modelos”, de elementos geométricos (líneas, polígonos,
poliedros, etc.) y atributos asociados (ej., color o propiedades de
material). Los elementos son formas geométricas primitivas, o primitivas
para acortarlo.
• Las imágenes son creadas como arreglos de píxeles (a través de
muestreo de geometría) para ser visualizadas, pero no son almacenadas
como parte del modelo. Imágenes de muchas vistas diferentes son
generadas del mismo modelo.
• Los usuarios usualmente no pueden trabar directamente con píxeles
individuales en programas basados en geometría; a medida que el
usuario manipula los elementos geométricos, el programa remuestrea y
redibuja los elementos.
• Es cada vez más común la combinación de gráficos geométricos y
basados en muestras, ya sea como un hack de desempeño o para
aumentar la calidad del producto final.
•
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Introducción
¿Qué es el modelado geométrico?
(1/2)
• ¿Qué es un modelo?
• Captura características sobresalientes (datos, comportamiento) de
la cosa o fenómeno que se está modelando.
– Los datos incluyen geometría, apariencia, atributos…
– Nótese similitudes a ideas de programación orientada a objetos.
• Real: algunas inherentes a la geometría
– Físicas (ej. objetos tales como sillas)
– No-físicas (ej. Funciones matemáticas, datos climáticos)
• Abstractos: no inherentes a la geometría, sino a la visualización
– Organizacionales (ej. un organigrama de una compañía)
– Cuantitativos (ej. gráfico del mercado de la bolsa)
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Introducción
¿Qué es el modelado geométrico?
(2/2)
• Modelar es hacerle frente a la complejidad
• Nuestro foco: modelar y ver objetos simples del
día a día
• Considera esto:
– A través de los gráficos computarizados 3D, por
primera vez en la historia de la humanidad tenemos
formas 3D abstractas fácilmente modificables. Esto
ha revolucionado los procesos de trabajo de muchos
campos – ciencia, ingeniería, diseño industrial,
arquitectura, comercio, entretenimiento, etc. Esto ha
tenido profundas implicaciones para el pensamiento
visual y alfabetización visual…
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Introducción
Modelado vs. Rendering
Modelado
•
•
•
•
•
Crear modelos
Aplicar materiales a los modelos
Colocar modelos alrededor de una
escena
Colocar luces en una escena
Colocar la cámara
Rendering
•
•
Tomar una “foto” con la cámara
Ambas se pueden hacer con
software comercial: Autodesk
Maya, 3D Studio Max, Blender,
etc.
Posición de luces
direccionales
Luz ambiental
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Descomposición de un modelo
geométrico
•
•
•
•
Dividir y conquistar
Jerarquía de componentes geométricos
Reducción de primitivas (ej. esferas, cubos, etc.)
Elementos simples vs. No tan simples (clavo vs.
Tornillo).
Cabeza
Cuerpo
Punta
composición
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descomposición
Introducción
Diagrama jerárquico (árbol) de un
clavo
• El objeto a ser modelado es visualmente analizado, y luego
descompuesto en colecciones de formas primitivas.
• El diagrama de árbol provee un método visual para expresar
relaciones “compuesto de” del modelo.
Clavo
Cuerpo
Cabeza
(cilindro)
Punta
Cuerpo
(cono)
(cilindro)
Diagrama de árbol
Nodo raíz
Nodos hoja
• Tales diagramas son parte de las interfaces de programas 3D (ej.,
3D Studio MAX o Maya)
• Como son estructuras de datos a ser renderizados, se le llama un
grafo de la escena (o scenegraph en inglés).
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Introducción
Composición de un modelo
geométrico
• Las primitivas que se crean en un proceso de
descomposición deben ser ensambladas para crear
un objeto final. Esto se hace con transformaciones
afines, T, R, S (como en el ejemplo anterior).
Traslación
Traslación y escalamiento
Traslación y rotación
Primitivas
En su propio sistema de
coordenadas de modelado
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Composición
En el sistema de
coordenadas mundial
(raíz)
Introducción
Próximos tópicos
•
•
•
•
Hemos manipulado formas primitivas con
transformaciones geométricas (translación,
rotación, escalamiento). Estas transformaciones
son esenciales para organización de los modelos,
el procesamiento de componer objetos
complejos a partir de componentes más simples.
Modelos jerárquicos y transformaciones
geométricas también son esenciales para la
animación.
Una vez que la geometría del objeto sea
establecida, debe ser vista en pantalla:
corresponder del 3D a 2D para ver, y de 2D a 3D
para dispositivos de entrada 3D (ej. mouse o
lápiz)
Mientras que se hace la correspondencia de 3D a
2D, se usan las propiedades superficiales del
objeto y los efectos de iluminación para hacer el
rendering de esas construcciones. Este proceso
de rendering se conoce también como síntesis
de imágenes.
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Introducción
Créditos de imágenes
•
•
•
•
•
•
Render de tablero de ajedrez por Sara Villareal y Jesús Simanca.
Render volumétrico de datos de una simulación de Resonancia
Magnética, de la tesis “Rendering volumétrico basado en mecanismos de
manejo de texturas”, por Durán y Morillo (2006).
Imagen de la cara tomada de
http://spintdt.blogspot.com/2010/11/using-mental-ray-to-implementskin.html
Visualización de la distancia al McDonald’s más cercano en EE.UU. Por
Stephen Von Worley en http://www.datapointed.net/2009/09/distanceto-nearest-mcdonalds/
Ejemplo de Raytracing tomado de
http://cs.tju.edu.cn/orgs/vlsilab/index.php?option=com_content&view=
article&id=81:raytracing61070136&catid=17:projectinresearch&Itemid=149
Foto de la UCAB por Antonio Jordana http://www.flickr.com/photos/51387266@N00/122080807
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