Le moderne GPU - C42009

1. Le moderne GPU Cosa possibile fare oggi e cenni su come farlo e Angelo Encelo Theodorou Universit degli Studi di Napoli Federico II a Revisione di [CG2008] per il seminario in aula C4 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 1 / 152

2. Sommario Sommario 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

3. eld Deferred shading High Dynamic Range Imaging A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 2 / 152

10. Introduzione Primo approccio 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

12. Introduzione Primo approccio Primo aprroccio La GPU oggi Caratteristiche salienti delle Graphics Processing Unit attuali: Vertex, Geometry e Fragment shader (architettura uni

13. cata) Centinaia di gigaFLOPS in single-precision Decine di gigaFLOPS in double-precision Decine di GB/s di banda da e verso la VRAM Rapporto di crescita superiore a quello delle CPU Utilizzabili per compiti general purpose Programmabili mediante librerie non gra

14. che A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 4 / 152

36. Introduzione Primo approccio Primo approccio La pipeline

37. ssa A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 5 / 152

38. Introduzione Primo approccio Primo approccio La pipeline programmabile (SM 4.0) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 6 / 152

39. Introduzione Primo approccio Primo approccio Lo shader Il sorgente speci

40. cato dal programmatore e Viene eseguito in parallelo su pi unit autonome u a Pu modi

41. care un solo elemento alla volta (gathering/scattering) o Pu intervenire in tre fasi distinte: o Trasformazione dei vertici Assemblaggio delle primitive Colorazione dei frammenti Di default emula le attivit della pipeline

42. ssa a A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 7 / 152

71. Introduzione Primo approccio Primo approccio Lo stream processor Esegue uno qualsiasi dei tre tipi di shader (architettura uni

72. cata) Viene istruito da un dispatcher che gestisce il work-load Opera seguendo un design superscalare Lavora in singola e doppia precisione (IEEE-754 compliant) Segue il paradigma dello stream processing (SPMD, kernel, stream) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 8 / 152

81. Introduzione Primo approccio Primo approccio Architettura a shader uni

82. cati Figura: Architettura discreta Figura: Architettura uni

83. cata A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 9 / 152

84. Introduzione Primo approccio Primo approccio Architettura GT200 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 10 / 152

85. Introduzione Primo approccio Primo approccio Architettura RV770 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 11 / 152

86. Introduzione Panoramica storica 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

88. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica Quadro generale 1 Generazione (1995): accelerazione 3D di base 2 Generazione (1999): Transform Lighting in hardware 3 Generazione (2001): Programmabilit a livello dei vertici e, a limitatamente, a quello dei frammenti (SM 1.0) 4 Generazione (2002): Piena programmabilit a livello dei frammenti a (SM 2.0) 5 Generazione (2004): Meno limitazioni, molta pi libert di u a programmazione della pipeline (SM 3.0) 6 Generazione (2006): Programmabilit a livello delle primitive, a uni

89. cazione delle unit di calcolo (SM 4.0) a 7 Generazione (2008): Un'evoluzione prestazionale (SM 4.1) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 13 / 152

90. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica La prima generazione 01/12/1996: Diamond Monster 3D (SST1, 1M transistor) 01/08/1997: Nvidia Riva 128 (NV3, 3.5M transistor) 01/08/1998: Nvidia Riva TNT (NV4, 7M transistor) 01/11/1998: Ati Rage 128 (Rage 128, 8M transistor) 3 OpenGL 1.1 e Direct3D 5.0 Hidden Surface Removal tramite Z-buering Mipmapping Flat e Gouraud shading Filtro bi/trilineare per le texture Alpha blending Stencil buer (a) SST1 (b) NV3 (c) NV4 (d) Rage A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU 128 C42009 14 / 152

91. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica La seconda generazione 01/10/1999: Nvidia GeForce 256 (NV10, 23M transistor) 15/06/2000: ATI Radeon (R100, 30M transistor) 26/04/2000: Nvidia GeForce2 GTS (NV15, 25M transistor) 3 OpenGL 1.3 e Direct3D 7.0 Trasformazione, illuminazione e clipping dei vertici Z-buer pi preciso (compressione dei dati in transito) u Rudimentale shading per-pixel (nascosto nell'API, 2 texture miscelabili) Full Scene Anti Aliasing ed Anisotropic Filtering Supporto hardware alla compressione delle texture Supporto hardware a bump, shadow ed environment mapping (e) NV10 (f) R100 (g) NV15 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 15 / 152

92. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica La terza generazione 01/05/2001: Nvidia GeForce 3 (NV20, 57M transistor) 14/08/2001: ATI Radeon 8500 (R200, 60M transistor) 04/02/2002: Nvidia GeForce4 Ti 4600 (NV25, 63M transistor) 3 OpenGL 1.4 e Direct3D 8.0/8.1 Vertex shader 1.0 Pixel shader 1.0 (parzialmente esposti nelle API, 4 texture miscelabili) Supporto hardware al True Re ective Bump Mapping, Environmental Mapped Bump Mapping, ... (h) NV20 (i) R200 (j) NV25 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 16 / 152

93. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica La quarta generazione 19/08/2002: ATI Radeon 9700 PRO (R300, 110M transistor) 01/05/2003: Nvidia GeForce FX 5800 (NV30, 125M transistor) 04/05/2004: ATI Radeon X800 PRO (R420, 160M transistor) 3 OpenGL 1.5/2.0 e Direct3D 9.0b Vertex Shader 2.0 Pixel Shader 2.0 (programmabili direttamente) Precisione FP16/FP32 (k) R300 (l) NV30 (m) R420 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 17 / 152

94. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica La quinta generazione 14/04/2004: Nvidia GeForce 6800 (NV40, 222M transistor) 22/06/2005: Nvidia GeForce 7800 GTX (G70, ex-NV47, 278M transistor) 05/10/2005: ATI Radeon X1800 XT (R520, 321M transistor) 3 OpenGL 2.0 e Direct3D 9.0c Vertex e Pixel Shader 3.0 Pi lunghi e con pi registri a disposizione u u Gestione di cicli dinamici Texture fetch all'interno dei vertex shader Multiple Render Targets Accelerazione HW per ussi video HD (n) NV40 (o) G70 (p) R520 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 18 / 152

95. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica La sesta generazione 08/11/2006: Nvidia GeForce 8800 GTX (G80, 681M transistor) 14/05/2007: ATI Radeon HD 2900 XT (R600XT, 700M transistor) 11/12/2007: Nvidia GeForce 8800 GTS 512 (G92, 754M transistor) 3 OpenGL 2.0/2.1 e Direct3D 10 Vertex e Pixel Shader 4.0 Geometry Shader 4.0 Archittettura uni

96. cata Design superscalare (q) G80 (r) (s) G92 R600XT A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 19 / 152

97. Introduzione Panoramica storica Panoramica storica La settima generazione 19/11/2007: ATI Radeon HD 3870 (RV670XT, 666M transistor) 17/06/2008: Nvidia GeForce GTX 280 (G200, 1400M transistor) 25/06/2008: ATI Radeon HD 4870 (RV770XT, 956M transistor) 3 OpenGL 2.1/3.0/3.1 e Direct3D 10/10.1 Shader Model 4.1/Direct3D 10.1 (solo ATI) Supporto alla doppia precisione Sempre pi stream processor e larghezza di banda u Un'evoluzione pi che una rivoluzione u (t) (u) G200 (v) RV670XT RV770XT A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 20 / 152

98. La GPU in azione Potenza elaborativa 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

100. La GPU in azione Potenza elaborativa Potenza elaborativa Riferimenti numerici Processore Core Transistor (M) Frequenza (MHz) York

101. eld (QX9970) 4 core 220+600 3200 Xenon (XBox 360) 3 core 165 3200 Cell (PS3) 1 PPE+6 SPE 234 3200 RV790XT (HD4890) 800 sp 956 850 GT200b (GTX285) 240 1400 1476 R700 (HD4870X2) 800x2 sp 956x2 750 GT200b (GTX295) 240x2 1400x2 1242 Processore SP (GFLOPS) DP (GFLOPS) Banda (GB/s) York

102. eld (QX9970) 51.1 25.5 12.8 Xenon (XBox 360) 115.2 12 21.6 Cell (PS3) 204 15 12.8 RV790XT (HD4890) 1360 272 124.8 GT200b (GTX285) 1209.5 88.8 159 R700 (HD4870X2) 2400 480 115.2x2 GT200b (GTX295) 1788 131.3 111.9x2 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 22 / 152

103. La GPU in azione Potenza elaborativa Potenza elaborativa GPU vs CPU a Il Commissariat l'Energie Atomique ha ordinato un cluster ibrido da 295 TFlops: 103 TFlops derivanti dalle CPU 192 TFlops derivanti dalle GPU A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 23 / 152

104. La GPU in azione Potenza elaborativa Potenza elaborativa Larghezza di banda A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 24 / 152

105. La GPU in azione Potenza elaborativa Potenza elaborativa Legge di Moore A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 25 / 152

106. La GPU in azione Applicazioni general purpose 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

108. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Il GPGPU GPGPU: General-Purpose computation on GPUs Sito di riferimento: http://www.gpgpu.org Speci

109. che a standard aperto: OpenCL (Open Computing Language) Librerie dei produttori di HW: CUDA e Brook++/CAL Middleware

110. sico: Nvidia PhysX (ex Ageia) Stage nella pipeline Direct3D 11: Compute shader Vecchie librerie open-source: BrookGPU, Sh A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 27 / 152

111. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni general purpose Nvidia Tesla: soluzione ad hoc Computer desktop o rack che montano pi schede video u Pensati speci

112. catamente per applicazioni GPGPU tramite CUDA La controparte AMD chiamata FireStream e A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 28 / 152

113. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni general purpose Fast Fourier Transforms CPU: Intel Core 2 Quad, 2.4GHz (FFTW) GPU: Nvidia GeForce 8800 GTX (CUDA e CUFFT) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 29 / 152

114. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Nvidia Gelato Renderer ad accelerazione hardware non in tempo reale A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 30 / 152

115. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU OpenVIDIA Computer vision con supporto all'accelerazione della GPU A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 31 / 152

116. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Fluidodinamica Calcolo del sistema di equazioni dierenziali di Navier-Stokes sulla GPU A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 32 / 152

117. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Generazione ed erosione di terreni Fault Formation Circles Perlin Noise Pentium 4 3.0 GHz 10612 ms 650803 ms 10033 ms GeForce 7600GT 1090 ms 1356 ms 113 ms GeForce 8600GT 915 ms 952 ms 46 ms A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 33 / 152

118. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Ricostruzione tomogra

119. ca FASTRA: PC consumer, monta 4 schede video 9800x2 (8 GPU), (Maggio 2008, meno di 4000 Euro) CalcUA: Supercomputer dell'Univerist di Antwerp, 256 nodi (512 CPU a Opteron 250), (Marzo 2005, 3.5M di Euro) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 34 / 152

120. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Folding@Home CPU: 4 mol/day PS3: 100 mol/day HD 3870: 170 mol/day GTX 280: 500 mol/day A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 35 / 152

121. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Password recovery ElcomSoft Distributed Password Recovery http://www.elcomsoft.com/edpr.html A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 36 / 152

122. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Nurien tech demo Fisica dei capelli e degli abiti accelerata dalla GPU A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 37 / 152

123. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Froblins Demo L'IA degli oltre tremila agenti gestita dalla GPU e A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 38 / 152

124. La GPU in azione Applicazioni general purpose Applicazioni GPGPU Ulteriori applicazioni 60 su 262 applicazioni dal sito CUDA Zone (Marzo 2009) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 39 / 152

125. La GPU in azione Applicazioni tradizionali 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

127. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali La Game Industry Uno dei motori trainanti dell'economia statunitense con miliardi di dollari di fatturato annuale Nel 2008 ha superato il mercato mondiale dell'home video con oltre 32 miliardi di dollari Il settore dell'intrattenimento meno soggetto alla recente recessione e economica Causa principale della corsa agli armamenti nel settore dell'HW Uno dei principali campi applicativi della ricerca nella computer gra

128. ca Porta ad una ricaduta tecnologica anche in altri settori (educativo, medico, industriale, militare) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 41 / 152

139. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Human Head (14/7/2007) Demo real-time della Nvidia per la GeForce 8800 Ultra A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 42 / 152

140. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali CryEngine 2 vs Unreal Engine 3 (1/2) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 43 / 152

141. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali CryEngine 2 vs Unreal Engine 3 (2/2) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 44 / 152

142. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Crysis vs Real-life A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 45 / 152

143. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Final Night Round 3 (20/2/2006) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 46 / 152

144. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Gears of War (Unreal Engine 3, 9/11/2006) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 47 / 152

145. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Crysis (CryEngine 2, 13/11/2007) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 48 / 152

146. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Assassin's Creed (Scimitar Engine, 14/11/2007) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 49 / 152

147. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Mass Eect (Unreal Engine 3, 20/11/2007) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 50 / 152

148. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali 3dMark Vantage, 28/4/2008 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 51 / 152

149. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Dead Space (Unreal Engine 3, 14/10/2008) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 52 / 152

150. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Far Cry 2 (Dunia Engine, 21/10/2008) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 53 / 152

151. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Fallout 3 (Gamebryo Engine, 28/10/2008) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 54 / 152

152. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Mirror's Edge (Unreal Engine 3, 12/11/2008) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 55 / 152

153. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Prince of Persia (Anvil Engine, 2/12/2008) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 56 / 152

154. La GPU in azione Applicazioni tradizionali Applicazioni tradizionali Killzone 2, 25/2/2009 A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 57 / 152

155. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

157. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Sommario Creazione shader object Creazione program object Utilizzo del program object Codice di esempio 1 Liberazione delle risorse allocate Variabili uniformi Cenni sul resto Codice di esempio 2 Nota: Le funzioni che verranno esaminate fanno parte del core di OpenGL 2.0 e successivi. A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 59 / 152

158. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Creazione shader object GLuint glCreateShader(GLenum shaderType ) Ritorna l'handle per un nuovo shader Il tipo pu essere GL VERTEX SHADER o GL FRAGMENT SHADER. o void glShaderSource(GLuint shader, GLsizei count, const GLchar **string, const GLint *length ) Imposta il sorgente per lo shader all'array di stringhe speci

159. cato. void glCompileShader(GLuint shader ) Compila il sorgente dello shader speci

160. cato. Nota: A partire dalle OpenGL 3.0, glCreateShader() accetta anche il tipo GL GEOMETRY SHADER ARB. A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 60 / 152

161. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Creazione program object GLuint glCreateProgram(void) Ritorna l'handle per un nuovo programma. void glAttachShader(GLuint program, GLuint shader ) Associa lo shader al programma speci

162. cato. void glLinkProgram(GLuint program ); Eettua la fase di linking per il programma. A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 61 / 152

163. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Utilizzo del program object void glUseProgram(GLuint program ) Speci

164. ca il programma da usare. Da quel momento in poi, per qualsiasi operazione, non verr pi a u utilizzata la pipeline

165. ssa. Passando 0 come parametro si ritorna alla pipeline tradizionale. A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 62 / 152

166. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Codice di esempio 1 § GLuint v , f , p ; char £ vs , £ f s ; p = glCreateProgram ( ) ; v = g l C r e a t e S h a d e r (GL VERTEX SHADER ) ; g l S h a d e r S o u r c e ( v , 1 , vs , NULL ) ; glCompileShader ( v ) ; glAttachShader (p , v ) ; f = g l C r e a t e S h a d e r (GL FRAGMENT SHADER ) ; g l S h a d e r S o u r c e ( f , 1 , f s , NULL ) ; glCompileShader ( f ) ; glAttachShader (p , f ) ; glLinkProgram (p ) ; glUseProgram ( p ) ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 63 / 152

167. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Liberazione delle risorse allocate void glDeleteShader(GLuint shader ) Comando opposto a quello di creazione, libera la memoria ed il riferimento associati all'handle passato. void glDeleteProgram(GLuint program ) Come sopra, ma relativo ai programmi. void glDetachShader(GLuint program, GLuint shader ) Cancella l'associazione tra shader e programma. A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 64 / 152

168. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Variabili uniformi OpenGL permette il passaggio di dati agli shader GLint glGetUniformLocation(GLuint program, const GLchar *name ) Ritorna il riferimento alla posizione di una certa variabile all'interno del programma, che dev'essere correntemente in uso. void glUniformf1|2|3|4gff|ig(GLint location, TYPE v ) Imposta il valore della variabile alla locazione speci

169. cata a quello passato dalla funzione. void glUniformf1|2|3|4gff|igv(GLint location, GLuint count, const TYPE v ) Come sopra, ma questa volta permette di speci

170. care un array di valori. void glUniformMatrixf2|3|4gfv(GLint location, GLuint count, GLboolean transpose, const GLfloat *v ) Passa allo shader una matrice quadrata della dimensione speci

171. cata, ordinata per colonne o per righe a seconda del parametro booleano. A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 65 / 152

172. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Cenni sul resto glGetUniform() e glGetActiveUniform() Ritorna il valore di una o di tutte le variabili uniformi attive nel programma speci

173. cato. Funzioni di query Permettono di ricavare lo stato degli oggetti creati, stampare log diagnostici, conoscere gli oggetti correntemente attivi. Funzioni relative agli attributi per vertice Permettono di speci

174. care attributi da passare agli shader, all'interno di una coppia glBegin()/glEnd(), diversi per ogni vertice. Multiple Render Targets I fragment shader supportano la scrittura contemporanea su pi frame u buer. Ausilio per lo svilupo glValidateProgram() controlla se l'eseguibile del programma speci

175. cato, dato lo stato OpenGL corrente, pu funzionare. o A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 66 / 152

176. Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL Supporto OpenGL Codice di esempio 2 § GLuint p ; GLint l o c 1 , l o c 2 ; glUseProgram ( p ) ; loc1 = glGetUniformLocation (p , Variable1 ) ; glUniform1f ( loc1 , 1.0 f ) ; loc2 = glGetUniformLocation (p , Variable2 ) ; glUniform1i ( loc2 , 1 ) ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 67 / 152

177. Cenni sulla programmazione GL Shading Language 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

179. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Sommario Tipi di dato Inizializzatori e costruttori Quali

180. catori Flusso di controllo Swizzling Operazioni component-wise Funzioni built-in Variabili built-in Codice di esempio A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 69 / 152

182. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Inizializzatori e costruttori § float a , b = 3.0 , c ; const i n t S i z e = 4 ; // i n i t i a l i z e r i s r e q u i r e d vec3 c o l o r = vec3 ( 0 . 2 , 0 . 5 , 0 . 8 ) ; vec4 c o l o r 4 = vec4 ( c o l o r , 1 . 0 ) mat2 m= mat2 ( 1 . 0 , 2.0 , 3.0 , 4.0); vec3 v = vec3 ( 0 . 6 ) ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 71 / 152

183. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Quali

184. catori attribute Informazioni destinate al vertex shader che variano spesso nell'applicazione, anche tra la de

185. nizione di un vertice e l'altro. uniform Informazioni che variano meno spesso, destinate al vertex o al fragment shader. varying Informazioni passate per interpolazione dal vertex al fragment shader. const Per variabili costanti dichiarate al momento della compilazione, come in C. Nota: A partire da GLSL 1.30 si usano le parole chiave in ed out al posto di attribute e varying. A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 72 / 152

186. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Flusso di controllo Cicli for, while e do-while Presenza delle keyword break e continue Selezioni tramite if, if-else, ed operatore ternario :? Presenza della keyword discard, per abortire l'esecuzione del fragment shader per un certo frammento Assenza del supporto per goto e switch Nota: Il costrutto switch/case/default presente a partire da GLSL 1.30. e A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 73 / 152

187. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Swizzling § vec4 v4 ; v4 . rgba ; // is a v e c 4 and t h e same a s j u s t u s i n g v4 v4 . rgb ; // is a vec3 v4 . b ; // is a float v4 . xy ; // is a vec2 vec4 pos = vec4 ( 1 . 0 , 2 . 0 , 3 . 0 , 4 . 0 ) ; vec4 s w i z = pos . wzyx ; // s w i z = ( 4 . 0 , 3 . 0 , 2 . 0 , 1 . 0 ) vec4 dup = pos . xxyy ; // dup = ( 1 . 0 , 1 . 0 , 2 . 0 , 2 . 0 ) vec4 pos = vec4 ( 1 . 0 , 2 . 0 , 3 . 0 , 4 . 0 ) ; pos . xw = vec2 ( 5 . 0 , 6 . 0 ) ; // pos = ( 5 . 0 , 2 . 0 , 3 . 0 , 6 . 0 ) pos . wx = vec2 ( 7 . 0 , 8 . 0 ) ; // pos = ( 8 . 0 , 2 . 0 , 3 . 0 , 7 . 0 ) ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 74 / 152

188. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Operazioni component-wise § vec3 v , u; float f ; v = u + f; // v . x = u . x + f ; // [ . . . ] vec3 v , u , w ; w = v + u; // w . x = v . x + u . x ; // [ . . . ] ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 75 / 152

189. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Funzioni built-in (1/2) Supportano l'overloading degli argomenti Trigonometriche: radians(), degree(), sin(), cos(), tan(), ... Esponenziali: pow(), exp(), log(), sqrt(), inversesqrt(), ... Comuni: abs(), sign(), floor(), ceil(), min(), max(), clamp(), mix(), ... Geometriche: length(), distance(), dot(), cross(), normalize(), reflect(), refract(), ... A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 76 / 152

190. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Funzioni built-in (2/2) Supportano l'overloading degli argomenti Matriciali: matrixCompMult() Relazioni tra vettori: lessThan(), greatherThan(), equal(), notEqual(), ... Accesso alle texture: texturef1|2|3gD, texturef1|2|3gDProj, texturef1|2|3gDLod, texturef1|2|3gDCube, shadowf1|2|3gD, ... Solo frammenti: dFdx(), dFdy(), fwidth() Rumore: noisef1|2|3|4g() A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 77 / 152

191. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Variabili built-in Input del vertex shader: gl Color, gl Normal, gl Vertex, gl MultiTexCoordf0..Ng, ... Output del vertex shader: gl Position, ... Input del fragment shader: gl FragCoord, gl FrontFacing Output del fragment shader: gl FragColor, gl FragData[], gl FragDepth Variabili uniformi comuni: gl ModelViewMatrix, gl ProjectionMatrix, gl ClipPlane, gl Point, gl FrontMaterial, gl LightSource[], gl Fog, ... A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 78 / 152

192. Cenni sulla programmazione GL Shading Language GL Shading Language Codice di esempio § Listing 1: Vertex shader void main ( v o i d ) f gl Position = ftransform (); // g l P o s i t i o n = g l P r o j e c t i o n M a t r i x £ gl ModelViewMatrix £ gl Ver tex ; // g l P o s i t i o n = g l M o d e l V i e w P r o j e c t i o n M a t r i x £ gl Vertex ; g ¦ ¥ § Listing 2: Fragment shader void main ( v o i d ) f gl FragColor = gl Color ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 79 / 152

193. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

195. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Blinn-Phong re ection model A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 81 / 152

196. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Gouraud shading Vertex shader Trasforma il vertice Calcola l'attenuazione Calcola i tre contributi del modello di Phong Fragment shader Riceve l'intensit del vertice interpolata a Assegna il colore del frammento in base a questa Nota: Il prossimo esempio emula una point light come da pipeline

197. ssa A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 82 / 152

198. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Vertex shader (1/3) § v a r y i n g vec4 intensity ; void main ( v o i d ) f vec4 a m b i e n t G l o b a l , ambient , d i f f u s e ; vec3 ecPos , normal , l i g h t D i r , h a l f V e c t o r , aux ; f l o a t NdotL , NdotHV , d i s t , a t t ; ecPos = vec3 ( g l M o d e l V i e w M a t r i x £ g l V e r t e x ) ; normal = n o r m a l i z e ( g l N o r m a l M a t r i x £ g l N o r m a l ) ; aux = g l L i g h t S o u r c e [ 0 ] . p o s i t i o n . xyz ecPos ; d i s t = l e n g t h ( aux ) ; l i g h t D i r = n o r m a l i z e ( aux ) ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 83 / 152

199. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Vertex shader (2/3) § att = 1.0 / ( gl LightSource [ 0 ] . constantAttenuation + gl LightSource [ 0 ] . linearAttenuation £ dist + gl LightSource [ 0 ] . quadraticAttenuation £ dist £ dist ) a m b i e n t G l o b a l = g l L i g h t M o d e l . ambient £ g l F r o n t M a t e r i a l . ambient ; ambient = g l L i g h t S o u r c e [ 0 ] . ambient £ g l F r o n t M a t e r i a l . ambient ; i n t e n s i t y = a m b i e n t G l o b a l + ambient £ att ; diffuse = gl LightSource [ 0 ] . diffuse £ gl FrontMaterial . diffuse ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 84 / 152

200. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Vertex shader (3/3) § NdotL = max ( dot ( normal , l i g h t D i r ) , 0 . 0 ) ; if ( NdotL 0 . 0 ) f h a l f V e c t o r = n o r m a l i z e ( l i g h t D i r + n o r m a l i z e ( ecPos ) ) ; i n t e n s i t y += a t t £ ( d i f f u s e £ NdotL ) ; NdotHV = max ( dot ( normal , h a l f V e c t o r ) , 0 . 0 ) ; i n t e n s i t y += a t t £ g l L i g h t S o u r c e [ 0 ] . s p e c u l a r £ gl FrontMaterial . specular £ pow ( NdotHV , g l F r o n t M a t e r i a l . s h i n i n e s s ) ; g gl Position = ftransform (); gl TexCoord [ 0 ] = gl TextureMatrix [ 0 ] £ gl MultiTexCoord0 ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 85 / 152

201. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Fragment shader § v a r y i n g vec4 i n t e n s i t y ; u n i f o r m sampler2D Tex0 ; void main ( v o i d ) f vec4 colorMap = t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; gl FragColor = intensity £ colorMap ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 86 / 152

202. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Screenshot (a) GLSL parallax (b) GLSL multilight Per-pixel lighting A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 87 / 152

203. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Phong shading Vertex shader Trasforma il vertice Calcola il valore del contributo d'ambiente e quello diuso di partenza Fragment shader Riceve la normale e l'eye vector interpolati Calcola l'attenuazione Calcola i tre contributi

204. nali del modello di Phong Calcola il valore di intensit luminosa del frammento a Assegna il colore del frammento in base a questo A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 88 / 152

205. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Vertex shader (1/2) § v a r y i n g vec4 a m b i e n t G l o b a l , ambient , d i f f u s e ; v a r y i n g vec3 normal , ecPos ; void main ( v o i d ) f normal = g l N o r m a l M a t r i x £ g l N o r m a l ; ecPos = vec3 ( g l M o d e l V i e w M a t r i x £ g l V e r t e x ) ; a m b i e n t G l o b a l = g l L i g h t M o d e l . ambient £ g l F r o n t M a t e r i a l . ambient ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 89 / 152

206. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Vertex shader (2/2) § a m b i e n t G l o b a l = g l L i g h t M o d e l . ambient £ g l F r o n t M a t e r i a l . ambient ; ambient = g l L i g h t S o u r c e [ 0 ] . ambient £ g l F r o n t M a t e r i a l . ambient ; diffuse = gl LightSource [ 0 ] . diffuse £ gl FrontMaterial . diffuse ; gl Position = ftransform (); gl TexCoord [ 0 ] = gl TextureMatrix [ 0 ] £ gl MultiTexCoord0 ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 90 / 152

207. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Fragment shader (1/3) § v a r y i n g vec3 normal , ecPos ; v a r y i n g vec4 a m b i e n t G l o b a l , ambient , d i f f u s e ; u n i f o r m sampler2D Tex0 ; void main ( v o i d ) f vec3 n , aux , lightDir , refVec ; f l o a t NdotL , RdotE ; float dist , att ; vec4 colorMap = t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 91 / 152

208. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Fragment shader (2/3) § n = n o r m a l i z e ( normal ) ; aux = g l L i g h t S o u r c e [ 0 ] . p o s i t i o n . xyz ecPos ; d i s t = l e n g t h ( aux ) ; l i g h t D i r = n o r m a l i z e ( aux ) ; att = 1.0 / ( gl LightSource [ 0 ] . constantAttenuation + gl LightSource [ 0 ] . linearAttenuation £ dist + gl LightSource [ 0 ] . quadraticAttenuation £ dist £ dist ) g l F r a g C o l o r = a m b i e n t G l o b a l + ambient £ att ; NdotL = dot ( n , l i g h t D i r ) ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 92 / 152

209. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Fragment shader (3/3) § if ( NdotL 0.0) f g l F r a g C o l o r += a t t £ ( d i f f u s e £ NdotL ) ; r e f V e c = r e f l e c t ( l i g h t D i r , n ) ; RdotE = dot ( r e f V e c , n o r m a l i z e ( ecPos ) ) ; g l F r a g C o l o r += a t t £ g l L i g h t S o u r c e [ 0 ] . s p e c u l a r £ gl FrontMaterial . specular £ pow ( RdotE , g l F r o n t M a t e r i a l . s h i n i n e s s ) ; g gl FragColor £= colorMap ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 93 / 152

210. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Screenshot (c) GLSL parallax (d) GLSL multilight Per-vertex lighting A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 94 / 152

211. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Specular mapping Come per il Phong shading, ma in pi: u Fragment shader Esegue il fetch della glossmap Modula il costributo speculare secondo la texture precedente A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 95 / 152

212. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Fragment shader § u n i f o r m sampler2D Tex1 ; [...] vec4 glossMap = t e x t u r e 2 D ( Tex1 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; [...] i f ( NdotL 0 . 0 ) f [...] vec4 s p e c = a t t £ [ . . . ] £ pow ( . . . ) ; s p e c £= glossMap ; g l F r a g C o l o r += s p e c ; g [...] ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 96 / 152

213. Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Gouraud e Phong shading Screenshot A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 97 / 152

214. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

216. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Tangent space A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 99 / 152

217. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Normal mapping Come per il Phong shading, ma in pi: u Vertex shader Riceve il vettore della tangente dall'applicazione Calcola il vettore binormale e la matrice TBN Trasforma la normale, il light e l'eye vector secondo la matrice TBN Fragment shader Esegue il fetch della normalmap Riporta il valore letto dall'intervallo [0..1] all'intervallo [-1..1] Assegna tale valore alla variabile stabilita per la normale A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 100 / 152

218. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Vertex shader § a t t r i b u t e vec3 objTan ; [...] vec3 t a n g e n t = n o r m a l i z e ( g l N o r m a l M a t r i x £ objTan ) ; vec3 b i n o r m a l = c r o s s ( normal , t a n g e n t ) ; mat3 t b n M a t r i x = mat3 ( t a n g e n t . x , b i n o r m a l . x , normal . x , t a n g e n t . y , b i n o r m a l . y , normal . y , t a n g e n t . z , b i n o r m a l . z , normal . z ) ; [...] l i g h t D i r = tbnMatrix £ l i g h t D i r ; ecPos = t b n M a t r i x £ ecPos ; [...] ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 101 / 152

219. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Fragment shader § u n i f o r m sampler2D Tex2 ; [...] normalMap = t e x t u r e 2 D ( Tex2 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; vec4 normal = n o r m a l i z e ( 2 . 0 £ normalMap . rgb 1 . 0 ) ; [...] ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 102 / 152

220. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Screenshot A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 103 / 152

221. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Teoria sul parallax mapping Si correggono le coordinate del texture fetch per riferirsi al punto B Ma c' bisogno di una nuova informazione: l'altezza del pixel e A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 104 / 152

222. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Parallax mapping Come per il normal mapping, ma in pi: u Fragment shader Esegue il fetch della heightmap con le texcoord reali del pixel Scala e trasla l'altezza secondo coecienti empirici Sposta le nuove texcoord verso l'osservatore secondo il valore precedente A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 105 / 152

223. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Fragment shader § [...] vec2 TexCoord ; float height ; float scale = 0.04; float bias = 0.02; h e i g h t = s c a l e £ t e x t u r e 2 D ( Tex2 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) . a bias ; TexCoord = g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t + h e i g h t £ n o r m a l i z e ( ecPos ) . xy ; [...] ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 106 / 152

224. Sorgenti di esempi Normal e parallax mapping Normal e parallax mapping Screenshot A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 107 / 152

225. Sorgenti di esempi Toon shading 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

227. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading Implementazione Requisiti: Frame Buer Object (per il post-processing in screen space) Multiple Render Targets (per memorizzare le normali al primo passo) 1 passo Si discretizza l'intensit luminosa in pochi valori ammessi a Si memorizzano in una texture i vettori delle normali in eye-space 2 passo Si applica l'operatore di Sobel ad una versione a scala di grigi della texture precedente Si evidenziano i contorni secondo un valore di soglia e spessore A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 109 / 152

228. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading 1 passo, fragment shader (1/2) § v a r y i n g vec3 normal , ecPos ; u n i f o r m sampler2D Tex0 ; void main ( v o i d ) f vec3 n , l i g h t D i r ; f l o a t NdotL ; vec4 colorMap = t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; n = n o r m a l i z e ( normal ) ; l i g h t D i r = n o r m a l i z e ( g l L i g h t S o u r c e [ 0 ] . p o s i t i o n . xyz ecPos ) ; NdotL = dot ( n , l i g h t D i r ) ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 110 / 152

229. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading 1 passo, fragment shader (2/2) § g l F r a g D a t a [ 0 ] = vec4 ( 0 . 0 ) ; if ( NdotL 0.95) g l F r a g D a t a [ 0 ] = vec4 ( 1 . 0 ) ; else if ( NdotL 0.5) g l F r a g D a t a [ 0 ] = vec4 ( 0 . 7 5 ) ; else if ( NdotL 0.25) g l F r a g D a t a [ 0 ] = vec4 ( 0 . 5 ) ; else if ( NdotL 0.0) g l F r a g D a t a [ 0 ] = vec4 ( 0 . 2 5 ) ; g l F r a g D a t a [ 0 ] £= colorMap ; g l F r a g D a t a [ 1 ] = vec4 ( n , 1 . 0 ) ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 111 / 152

230. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading 2 passo, fragment shader (1/3) § uniform i n t Width , H e i g h t ; uniform float Thickness ; uniform float Threshold ; uniform sampler2D Tex0 , Tex1 ; void main ( v o i d ) f vec2 ox = vec2 ( T h i c k n e s s / f l o a t ( Width ) , 0 . 0 ) ; vec2 oy = vec2 ( 0 . 0 , T h i c k n e s s / f l o a t ( H e i g h t ) ) ; vec2 uv = g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ; mat3 gray ; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 112 / 152

231. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading 2 passo, fragment shader (2/3) § int i , j ; vec2 PP = uv oy ; for ( i = 0; i 3 ; i ++) f g r a y [ i ] [ 0 ] = dot ( t e x t u r e 2 D ( Tex1 , PP ox ) . rgb , vec3 ( 1 . 0 g r a y [ i ] [ 1 ] = dot ( t e x t u r e 2 D ( Tex1 , PP ) . rgb , vec3 ( 1 . 0 / 3 . 0 ) g r a y [ i ] [ 2 ] = dot ( t e x t u r e 2 D ( Tex1 , PP + ox ) . rgb , vec3 ( 1 . 0 PP += oy ; g mat3 K; K [ 0 ] [ 0 ] = 1.0; K [ 0 ] [ 1 ] = 2.0; K [ 0 ] [ 2 ] = 1.0; K[ 1][ 0] = 0.0; K[1 ][ 1] = 0.0; K[1 ][2 ] = 0.0; K[ 2][ 0] = 1.0; K[2 ][ 1] = 2.0; K[2 ][2 ] = 1.0; ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 113 / 152

232. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading 2 passo, fragment shader (3/3) § f l o at sx = 0 . 0 ; f l o at sy = 0 . 0 ; for ( i = 0; i 3 ; i ++) f for ( j = 0; j 3 ; j ++) f s x += g r a y [ i ] [ j ] £ K[ i ] [ j ] ; s y += g r a y [ i ] [ j ] £ K[ j ] [ i ] ; g g float d i s t = s q r t ( sx £ sx + sy £ sy ) ; if ( dist Threshold ) g l F r a g C o l o r = vec4 ( 0 . 0 ) ; else g l F r a g C o l o r = t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 114 / 152

233. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading Screenshot (a) Untextured (b) Textured (c) Grey normal (d) Edges A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 115 / 152

234. Sorgenti di esempi Toon shading Toon shading Screenshot (e) Final A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 116 / 152

235. Sorgenti di esempi Depth of

236. eld 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

239. eld Depth of

240. eld Teoria x = s =d 3 x 0 = a(s =d ) 0 =a 00 x =a = (s f )=f 3 x 00 = a(s )=f = a(s =f 1) f s 1 1 jx x j = a 1 a = a s 1 00 0 f s d f d A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 118 / 152

242. eld Depth of

243. eld Implementazione Si compone di 5 passi ed utilizza 4 Frame Buer Object 1 passo: rendering della scena in un FBO e calcolo della quantit di a blur 2 passo: downsampling in un altro FBO avente 1/4 delle dimensioni del precedente 3 passo: applicazione del

244. ltro gaussiano lungo l'asse X 4 passo: applicazione del

245. ltro gaussiano lungo l'asse Y 5 passo: interpolazione lineare tra la scena originale e quella ridotta e sfumata A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 119 / 152

247. eld Depth of

248. eld 1 passo, vertex shader § uniform f l o a t focalDistance , focalRange ; varying f l o a t Blur ; void main ( v o i d ) f vec4 PosWV = g l M o d e l V i e w M a t r i x £ gl Vertex ; B l u r = clamp ( abs( PosWV . z f o c a l D i s t a n c e ) / focalRange , 0.0 , 1 . 0 ) ; gl Position = ftransform (); gl TexCoord [ 0 ] = gl TextureMatrix [ 0 ] £ gl MultiTexCoord0 ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 120 / 152

250. eld Depth of

251. eld 1 passo, fragment shader § varying f l o a t Blur ; u n i f o r m sampler2D Tex0 ; void main ( v o i d ) f g l F r a g D a t a [ 0 ] = vec4 ( t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) . rgb , B l u r ) ; g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 121 / 152

253. eld Depth of

254. eld 5 passo, fragment shader § u n i f o r m sampler2D Tex0 , Tex1 ; void main ( v o i d ) f vec4 F u l l r e s = t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; vec4 B l u r r e d = t e x t u r e 2 D ( Tex1 , g l T e x C o o r d [ 1 ] . s t ) ; gl FragColor = Fullres + Fullres . a £ ( Blurred Fullres ); g ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 122 / 152

256. eld Depth of Field Screenshot (a) Depth of Field (b) Quantit di blur a A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 123 / 152

258. eld Depth of Field Screenshot (d) Normal + Parallax + DoF A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 124 / 152

259. Sorgenti di esempi Deferred shading 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

261. Sorgenti di esempi Deferred shading Deferred shading Confronto (1/3) Single-pass, multi-light Per ogni oggetto: renderizzo l'oggetto ed applico l'illuminazione in un solo shader Spreco di shading nel caso di super

262. ci invisibili Mal si integra con le tecniche di shadowing Poche luci gestibili contemporaneamente C' bisogno di uno shader diverso per ogni combinazione e A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 126 / 152

263. Sorgenti di esempi Deferred shading Deferred shading Confronto (2/3) Multi-pass, multi-light Per ogni luce: Per ogni oggetto in uenzato: aggiungo al framebuer il contributo della luce sull'oggetto Spreco di shading nel caso di super

264. ci invisibili Le chiamate alla funzioni di disegno possono essere anche N (luci ) ¢ N (oggetti ) Molto lavoro ripetuto (trasformazione dei vertici, ...) A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 127 / 152

265. Sorgenti di esempi Deferred shading Deferred shading Confronto (3/3) Deferred shading Per ogni oggetto: memorizzo gli attributi che servono a calcolare l'illuminazione nel G-buer Per ogni luce: aggiungo al framebuer il contributo della luce tramite il G-buer Sempli

266. ca la gestione dell'illuminazione (un solo shader per memorizzare gli attributi) Si integra bene con le tecniche di shadowing Le chiamate alle funzioni di disegno sono al pi N (luci ) + N (oggetti ) u L'illuminazione diventa un lavoro di post-processing in screen space Stesso lavoro per calcolare l'illuminazione di una luce grande o di tante piccole A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 128 / 152

267. Sorgenti di esempi Deferred shading Deferred shading Implementazione Requisiti: Texture oating point (per la posizione) Multiple Render Targets (per scrivere tutti gli attributi contemporaneamente) Floating-point blending (per il compositing) Passi: Si ricavano gli attributi per ogni vertice Si interpolano per frammento e si scrivono nel G-buer Si utilizza il G-buer per l'illuminazione A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 129 / 152

268. Sorgenti di esempi Deferred shading Deferred shading §due fragment shader I v a r y i n g vec3 p o s i t i o n , normal ; u n i f o r m sampler2D Tex0 ; void main ( v o i d ) f g l F r a g D a t a [ 0 ] = vec4 ( p o s i t i o n . xyz , 1 . 0 ) ; g l F r a g D a t a [ 1 ] = vec4 ( n o r m a l i z e ( normal . xyz ) , 0 . 0 ) ; g l F r a g D a t a [ 2 ] = t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) ; g ¦ ¥ § u n i f o r m sampler2D Tex0 , Tex1 , Tex2 ; [...] vec3 ecPos = t e x t u r e 2 D ( Tex0 , g l T e x C o o r d [ 0 ] . s t ) . xyz ; vec3 normal = t e x t u r e 2 D ( Tex1 , g l T e x C o o r d [ 1 ] . s t ) . xyz ; vec4 colorMap = t e x t u r e 2 D ( Tex2 , g l T e x C o o r d [ 2 ] . s t ) ; [...] ¦ ¥ A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 130 / 152

269. Sorgenti di esempi Deferred shading Deferred shading Screenshot A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 131 / 152

270. Sorgenti di esempi High Dynamic Range Imaging 1 Introduzione Primo approccio Panoramica storica 2 La GPU in azione Potenza elaborativa Applicazioni general purpose Applicazioni tradizionali 3 Cenni sulla programmazione Supporto OpenGL GL Shading Language 4 Sorgenti di esempi Gouraud e Phong shading Normal e parallax mapping Toon shading Depth of

272. Sorgenti di esempi High Dynamic Range Imaging HDRI Teoria Immagini dal rapporto di contrasto molto elevato Consente un'impostazione accurata dei valori di esposizione Si presta facilmente all'utilizzo con algoritmi di adattamento temporale dell'esposizione Permette di implementare un eetto di bloom (o glow) realistico Per la visualizzazione a schermo fondamentale il tone-mapping e A. Theodorou (Federico II) Le moderne GPU C42009 133 / 152

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