Лекция по истории трёхмерной графики в К/ц "ЗИЛ"

1. Высшая школа экономики, Москва, 2013
www.hse.ru
ИСТОРИЯ 3D-ГРАФИКИ
Соболевский Алексей

2. Высшая школа экономики, Москва, 2013
О чём лекция?
• Об истории
• О 3D-графике
• Об инженерах
• О мыслях, помыслах и домыслах
инженеров
• О жизни, вселенной и вообще

3. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Основные понятия 3D-графики (условно)
• Полигон
• Вертекс
• Текстура
• Шейдер
• Буфер глубины и буфер кадра
• Рендеринг

4. Высшая школа экономики, Москва, 2013

5. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Угадай личность!

6. Высшая школа экономики, Москва, 2013

7. Высшая школа экономики, Москва, 2013
• Ставил эксперименты
на прямых и точках
(стереометрия)
• Изучал двумерные
фигуры (планиметрия)
• Ввёл аксиомы для
формализации
пространств
Евклид

8. Высшая школа экономики, Москва, 2013

9. Высшая школа экономики, Москва, 2013
• Формализовал алгебру
(символьный анализ)
• Научил находить корни
квадратного уравнения
(и не только)
• Первый пример
бесконечного
произведения
Франсуа Виет (1540 – 1603)

10. Высшая школа экономики, Москва, 2013
• Философ, математик,
механик, физик и
физиолог
• Рассуждал о методе.
Написал книгу
• Объяснил графики
лучше чертить в тетради
в клеточку
Кто это?

11. Высшая школа экономики, Москва, 2013
• Основоположник
аналитической
геометрии
• Создатель метода
координат
Рене Декарт (1596 – 1650)

12. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Трёхмерное пространство

13. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Системы координат
Цилиндрическая Сферическая

14. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Леонард Эйлер (1707 – 1783)
• Положил начало топологии
• Первый учебник по
аналитической геометрии и
основам
дифференциальной
геометрии
• Разворачивал трёхмерные
поверхности на плоскость
• Отлично рисовал круги

15. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Леонард Эйлер (1707 – 1783)

16. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Борис Делоне, Георгий Вороной
• Создатель метода
триангуляции
• Создатель «Диаграмы
Вороного»

17. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Георгий Вороной (1868 – 1908)

18. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Георгий Вороной (1868 – 1908)

19. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Борис Делоне (1890 – 1980)

20. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Алан Тьюринг (1912 – 1954)
• Создатель «Машины
Тьюринга» (24 года)
• Входил в группу
разработчиков
«Манчестерских
компьютеров» (36 лет)
• Участвовал в
разработке первого
транзисторного
компьютера

21. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Даммер, Шокли, Бардин, Браттейн
• Один из основоположников микрочипов
и интегральных схем
• Нобелевская премия за создание
биполярных транзисторов

22. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Наконец-то 3D!
3D-графика
Раздел компьютерной графики, совокупность приемов и
инструментов (как программных, так и аппаратных),
предназначенных для изображения объёмных объектов.

23. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного иллюзий

24. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Красота...

25. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Современные гуру
Иван Сазерленд
•Создатель Sketchpad (1962 год)
•Основатель первой кафедры Компьютерной графики
Эд Катмолл
•Создатель первых алгоритмов битовой глубины и
текстурирования
•Технический директор Pixar

26. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Современные гуру

27. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Современные гуру
Джим Блинн
Создатель Bump Mapping и Environment Mapping
Би Тюн Фонг
Phong Shading
Анри Гюра
Gouraud Shading

28. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного об алгоритмах

29. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного об алгоритмах

30. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного об алгоритмах

31. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного об алгоритмах
— вектор нормали
— направление проецирования
— коэффициент фонового освещения
— коэффициент зеркального освещения
— коэффициент диффузного освещения

32. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного об алгоритмах

33. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного об алгоритмах

34. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Немного истории

35. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Пьер Безье (1910 – 1999)
• Создатель кривой
Безье (1959)

36. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Пьер Безье (1910 – 1999)
• Частный случай
многочленов
Бернштейна

37. Высшая школа экономики, Москва, 2013
NURBS

38. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Ещё немного истории
• 1976 год
Первый фильм, в котором использовалась 3D-графики, Futureworld
• Первая программа 3D-моделирования MAGI
(процедрурная)
• Алгоритм трассировки лучей
• Появление полигонального метода
моделирования
• Power Animator (SGI-станции, Irix OS)

39. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Ещё немного истории (Futureworld)

40. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Разбиение на треугольники вручную

41. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Главное событие 3D графики
Главное событие в
истории 3D графики

42. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Главное событие 3D графики
?

43. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Главное событие 3D графики

44. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Главное событие 3D графики

45. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Главное событие 3D графики

46. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Чайник Юта (Мартин Ньюэлл, 1975 г.)

47. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Тем временем...

48. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Тем временем...
• MDA (Monochrome Display Adapter)
• CGA (Color Graphics Adapter, 4 бита, 16 цветов, 1981 г.)
• EGA (Enhanced Graphics Adapter, 64 цвета, 1984 г.)
• VGA (Video Graphics Array, 1987 г.)
– Графический контроллер
– видеопамять
– последовательный преобразователь
– контроллер атрибутов
– Синхронизатор
– контроллер ЭЛТ

49. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Тем временем...

50. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Тем временем...
Test Drive Ferrari. CGA vs Now (NFS)

51. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Видеокарты/ускорители
Раньше было:
Видеокарта (2D) + ускоритель (3D)
Сейчас:
Видеокарта (3D) + сопроцессоры (Shaders,
Physics)

52. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Voodoo 2 (1998)
Pixel Fill Rate: 90 Mil/s
Memory/core clock: 90 MHz
Display out: 16 bit

53. Высшая школа экономики, Москва, 2013
GeForce GTX Titan (2013)
Pixel Fill Rate: 40 000 Mil/s
Core clock: 837 MHz
Memory clock: 6008 Mhz

54. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Архитектура

55. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Текстурирование

56. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Текстурирование. Bump Mapping (1978)

57. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Текстурирование сейчас
• Normal Mapping
• Parallax Mapping
• Bump Mapping
• Environment Mapping
• Displacement Mapping
• Mipmapping
• …

58. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Текстурирование

59. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Текстурирование

60. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Буфер глубины (1974) и буфер кадра
Буфер глубины - способ учёта удалённости элемента
изображения
По сути, это массив, записывающий удалённость объектов
сцены от камеры

61. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Буфер глубины и буфер кадра

62. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Буфер глубины и буфер кадра

63. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Рендеринг
РЕНДЕРИНГ
РЕНДЕРИНГ

64. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Рендеринг
Получение изображения из модели (не обязательно 3D)

65. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Конвейер рендеринга
Это стандартный алгоритм
Вход конвейера – данные о 3D сцене (свет, объекты,
текстуры, шейдеры, типы затенения и освещения и т.п.)
Выход конвейера – 2D картинка на мониторе

66. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Конвейер рендеринга (раньше)
• Триангуляция (Triangle Setup)
• Трансформация объектов
• Обработка вершин
• Трансформация вида
• Проекция сцены
• Отсечение невидимых частей
• Растеризация
• Обработка пикселей
• Вывод

67. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Конвейер рендеринга (сейчас)

68. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Обработка света

69. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Обработка света
• Lightmapping
• Shadow Volumes
• Ray Tracing и Reverse ray tracing
• Occulsion mapping
• Photon mapping

70. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Lightmap
• Меняется цвет и освещённость текстуры

71. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Shadow Volumes
• В самом простом случае: всё, что находится за
освещённым объектом – чёрное. Очень жёсткие
тени. Сложности с воспроизведением
рассеивания света

72. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Shadow Volumes
Справа показано, как распространяются проекции теневых объёмов от источника света

73. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Ray Tracing и Reverse Ray Tracing
• Если совсем просто: каждый пиксель экрана – это
луч, направленный в трёхмерную сцену. При
пересечении с объектом высчитывается цвет
этого пикселя с учётом коэффициентов
отражения, преломления и цвета самой текстуры.

74. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Ray Tracing и Reverse Ray Tracing

75. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Дополнительные фишки
Дополнительно

76. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Дополнительные методы и алгоритмы
• Методы построения 3D-объектов
– NURBS
– Voxels
• Anti-Aliasing
• Motion Blur
• HDR

77. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Voxels
• Voxel – Volumetric pixel, по аналогии с обычным
пикселем – из вокселей могут строится
трёхмерные объекты. Может быть кубом, сферой
или другим примитивом. Не нуждается в
текстурировании.

78. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Voxels

79. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Anti-aliasing
• Anti-aliasing – технология, используемая для
устранения эффекта «зубчатости», возникающего
на краях одновременно выводимого на экран
множества отдельных друг от друга плоских, или
объёмных изображений.

80. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Anti-aliasing

81. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Шейдеры

82. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Шейдеры

83. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Шейдеры

84. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Шейдеры
Это всё иллюзии,
игры разума, игры
с цветом!

85. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Иллюзии

86. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Вернёмся к истории (кино)
• 6 секунд
• 20 человек
• 7 месяцев

87. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Вернёмся к истории (кино)
• 12,7 млн. полигонов
• 1 кадр – до 72 часов рендеринга

88. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Аудитория А113

89. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Аудитория А113

90. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Аудитория А113

91. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Аудитория А113

92. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Аудитория А113

93. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Видеокарта сейчас
• Около 4 000 000 000 транзисторов на одной плате
• Около 1 000 ядер на обработку
• Отдельные блоки для буферизации, растеризации,
обработки команд CUDA, Direct 3D, Open CL, Open GL
• Сенсоры, датчики, обработчики ошибок, синхронизация,
доп. интерфейсы
• Техпроцесс 20 нм

94. Высшая школа экономики, Москва, 2013
Видеокарта сейчас
• С/К «Ломоносов»
– 78 000 + ядер
– Реальная производительность – более 900 Тфлопс (i5 – около 100
Гфлопс)
– Использование спец. шины InfiniBand для коммутации (до 300
Гбит/сек)
– Гетерогенная архитектура