Ich Post-Doc am Institut für Computergrafik und Algorithmen, TU Wien

Präsentation zum Thema: "Ich Post-Doc am Institut für Computergrafik und Algorithmen, TU Wien"—  Präsentation transkript:

0 Aktuelle Entwicklungen in der Echtzeit Computergrafik
Ralf Habel Institute of Computer Graphics and Algorithms Vienna University of Technology

1 Ich Post-Doc am Institut für Computergrafik und Algorithmen, TU Wien
Dissertation in Echtzeit Vegetationsdarstellung und Animation Aktuelle Forschung: Precomputed Lighting, Computational Photography Vorher: Physikstudium Uni Stuttgart Ralf Habel

2 Überblick Was ist Echtzeitgrafik? Evolution der Echtzeitgrafik
Vorgehen in der Echtzeitgrafik Computerspieleindustrie Weitere Entwicklungen in der Echtzeitgrafik Ralf Habel

3 Was ist Echtzeitgrafik?
Im traditionellen Sinne: Bildsynthese mit interaktiven Bildraten zur direkten Manipulation und Interaktion. Einsatzgebiete: Computerspiele Virtual/Augmented Reality Architekturvisualisierung Datenvisualisierung Medizinische Visualisierung Ralf Habel

4 Was ist Echtzeitgrafik?
Im heutigen Sinne: Echtzeit- Bildsynthese Animation (Charaktere, Gesichter, Verhalten) Simulation (Rigid Bodys, Fluiddynamik) Ralf Habel

5 Was ist Echtzeitgrafik?
Stark interdisziplinäres Feld: Physik (Optik, klassische Mechanik, Fluiddynamik, Radiometrie… ) Biologie (Gesichter, Bewegungsapparat) Psychologie (Wahrnehmung) Neurowissenschaft (Multimodale Effekte) Sämtliche angewandte Mathematik wird eingesetzt Vektor/Matrixalgebra, Analysis, Funktional-analysis, Geometrie … Ralf Habel

6 Grundlagen der Echtzeitgrafik
Einsatz von paralleler spezialisierter Hardware (Graphics Processing Unit: GPU) ermöglicht sehr schnelle Datenverarbeitung mehrere hundert Cores (Prozessoren) parallel Sehr schneller RAM Zugriff durch dedizierten Speicher (GPU RAM) Hardwareunterstützung von speziellen mathematischen Methoden (Transformationen, Lichtberechnungen, Filterung) Ralf Habel

7 Mooresches Gesetz für CPUs
Gordon Moore, 1965 Exponentielles Wachstum der Transistoranzahl Verdopplung alle 18 Monate  Jährliches Wachstum von: 1.6 Stagniert im Moment, Verschnellerung durch mehrere Cores (Parallelisierung). (Logaritmische Achse) Vienna University of Technology

8 Mooresches Gesetz für GPUs
Fast Mooresches Gesetz quadriert Performanz verdoppelt sich alle 9-12 Monate Grund: Hardware Parallelisierung is einfach, Echtzeitgrafik ist ein hochparalleles Problem Vienna University of Technology

9 Evolution der Echtzeitgrafik
AMD Radeon HD 6970 November 2010 2.7 TeraFLOPS 2 Gigabyte RAM (1 Terabyte Storage) 0.03 Quadratmeter ASCI Red Schnellster Supercomputer 1999 3.1 TeraFLOPS 1616 Gigabyte RAM 12.6 Terabyte Storage 212 Quadratmeter Schnellster Supercomputer 2011 Tianhe-1 : 4.7 PetaFLOPS 14336 CPUs and 7168 GPUs. Vienna University of Technology

10 Erste Generation – Wireframe
Vor 1987 Transformation und Projektion von Modellen Farbinterpolation Vienna University of Technology

11 Zweite Generation – Schattierung
Vollstaendige Dreiecke, Tiefeninterpolation Einfache Lichtberechnungen Vienna University of Technology

12 Dritte Generation – Texture Mapping
Texturen, Texturkoordinaten Texturfilterung Mehrfachtexturierung Vienna University of Technology

13 Vierte Generation – Programmierfähigkeit
Von Modelltranform- ationen (Animation, Simulation) Lichtberechnungen (Schatten, Oberflächen, globale Beleuchtung) Ermöglicht eine Vielzahl an Methoden und Effekten und deren Kombination Nahezu photorealistisch Vienna University of Technology

14 Video Beispiele Quake (1996) Crysis 2 (2011) 10-20 Echtzeitmethoden
Hunderte an Methoden Ca fach komplexere Geometrie und Texturen Video Vienna University of Technology

15 Vorgehen in der Echtzeitgrafik
Echtzeitgrafik nutzt eingeschränkte und leicht täuschbare menschliche Perzeption Simplifizierende Tricks zur Darstellung von zu komplexen Objekten und Effekten. Beispiel: Bäume Hochkomplexe Geometrie tausende an Ästen, zehntausende Blätter Hochkomplexe Bewegung hierarchische Bewegung der Äste, Einzelbewegung der Blätter Vollständig korrekte Darstellung zu resourcenintensiv für heutige Computerspiele Nur 10-30% der Gesamtresourcen können für Vegetation benutzt werden Vienna University of Technology

16 Bäume in der Echtzeitgrafik
Zu komplexe Geometrie wird auf wenige, grosse texturierte Flächen reduziert: Vollständige Korrektheit nicht wahrnehmbar auf Entfernung Fehler und Artefakte werden akzeptiert oder ignoriert ohne direkte korrekte Referenz Vienna University of Technology

17 Bäume in der Echtzeitgrafik
Video Vienna University of Technology

18 Bäume in der Echtzeitgrafik
Akademischer Stand der Technik Nahezu vollstaendige Nutzung einer modernen GPU Schnellste/beste Methoden Physikalisch basierter Ansatz erlaubt: Vollständiges Baummodell Schnelle Animation aller Äste und Blätter Korrekte dynamische Beleuchtung und Schattierung (Transluzenz, Blattflächen) Kein Bruch der Illusion auch bei Nahaufnahmen Kommerzielle Einsatzfähigkeit in ca. 1-2 Jahren Vienna University of Technology

19 Bäume in der Echtzeitgrafik
Video Vienna University of Technology

20 Computerspiele Industrie
Überholte Filmindustrie Globale Einnahmen ~60 Milliarden $ (Film ~50 G$) Marktdynamik vergleichbar mit Filmindustrie: AAA Computerspiel Millionen $ Rekord: 7 Millionen Einheiten von CoD: Modern Warfare 2 verkauft in 24 h (350 M $) Blockbuster Film Millionen $ Rekord: Best Opening Weekend:The Dark Knight (158 M $) Vienna University of Technology

21 Computerspiele Industrie
Echtzeit Bildsynthese ist eine Frage der Computer-resourcen und deren intelligente Ausnutzung Nicht vollständig Datenabhängig Aber: Content (Charaktere, Levels, Animationen, Texturen…) muss von 3D Artists von Hand erstellt werden Content, nicht Methodik bestimmt visuelle Qualität Prozedurale und automatisierte Erstellung von Content wird immer wichtiger (auch als akademisches Feld) Programmierer : 3D Artist ~ 1:10 Vienna University of Technology

22 Computerspiele Industrie - Beispiel
Gesichtsanimation Perzeption reagiert auf kleinste Fehler in der Animation Fehler nicht nur störend, sondern illusionszerstörend durch direkten emotionalen Bezug zu Gesicht (im Gegensatz zu Bäumen) “Uncanny Valley” -Problem Vienna University of Technology

23 Video Beispiele Mass Effect 2 (2010) L.A. Noire (2011)
3D Artist erstellte Gesichtsanimation L.A. Noire (2011) Motion captured Gesichtsanimation von Schauspielern Video Vienna University of Technology

24 Weitere Entwicklungen der Echtzeitgrafik
Auflösung sämtlicher Restriktionen in den Berechnungen Bisher: Restriktive Schnittstellen (OpenGL, DirectX) In Zukunft: allgemeiner paralleler Prozessor Alles ist erlaubt Methoden aus offline Rendering (Film, Visual Effects) fliessen in die Echtzeitgrafik ein Ray Tracing, Higher Order Surfaces… “billige” Tricks werden durch akuratere Methoden ersetzt Film- und Spiel- Grafik konvergieren Vienna University of Technology

25 Weitere Entwicklungen der Echtzeitgrafik
Beispiel Ray Tracing Bisher in Film und Visual Effects Monte Carlo Simulation von Strahlen Erlaubt physikalisch akkurate Simulation von Oberflächen und Licht Aber sehr rechenaufwändig Aktuelle CPUs und GPUs bereits schnell genug für sehr einfache Szenen Aber nicht schnell genug um mit bisherigen Methoden zu konkurrieren GPUs mit direkter Ray Tracing Unterstützung bereits in Entwicklung Vienna University of Technology

26 Beispiele Video Vienna University of Technology

27 Weitere Entwicklungen
Nur leichte Abflachung des Geschwindigkeits-zuwachses in der Hardwareentwicklung 2013: 15 TeraFLOP GPUs Vereinigung von CPU+GPU auf einem Chip AMD Fusion und intel Sandybridge (i5/i7) bereits auf dem Markt Computerspieleindustrie immer noch im 2 stelligen Wachstumsbereich Echte Kinoqualität in Spielen in ca. 10 Jahren Vienna University of Technology

28 Weitere Entwicklung der Echtzeitgrafik
GPU wird integraler Bestandteil einer CPU als paralleler Prozessoranteil (APUs) Echtzeitgrafik nur spezielles paralleles Problem Beschleunigung sämtlicher Berechnungen im Consumer Bereich Heute bereits über CUDA und OpenCL möglich Im Supercomputer-Bereich bereits etabliert Vienna University of Technology

29 Von Pixar, ILM, Disney, Crytek, Lucasfilm …
Pixel 6 3 tägige internationale Computergrafikkonferenz in Wien ca. 400 Teilnehmer Fachvorträge über Filmproduktion Visual Effects Games … Von Pixar, ILM, Disney, Crytek, Lucasfilm … Nur 45 Euro Eintritt! Vienna University of Technology

30 Vielen Dank! Fragen? Vienna University of Technology