Aktuelle Entwicklungen in der Echtzeit Computergrafik Ralf Habel Institute of Computer Graphics and Algorithms Vienna University of Technology
Feb 17, 2016
Aktuelle Entwicklungen in der Echtzeit Computergrafik
Ralf Habel
Institute of Computer Graphics and Algorithms
Vienna University of Technology
Ralf Habel 2
Ich
Post-Doc am Institut für Computergrafik und Algorithmen, TU WienDissertation in Echtzeit Vegetationsdarstellung und AnimationAktuelle Forschung: Precomputed Lighting, Computational Photography
Vorher: Physikstudium Uni Stuttgart
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Überblick
Was ist Echtzeitgrafik?Evolution der EchtzeitgrafikVorgehen in der EchtzeitgrafikComputerspieleindustrieWeitere Entwicklungen in der Echtzeitgrafik
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Was ist Echtzeitgrafik?
Im traditionellen Sinne:Bildsynthese mit interaktiven Bildraten zur direkten Manipulation und Interaktion.Einsatzgebiete:
ComputerspieleVirtual/Augmented RealityArchitekturvisualisierungDatenvisualisierungMedizinische Visualisierung
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Was ist Echtzeitgrafik?
Im heutigen Sinne:
Echtzeit-BildsyntheseAnimation (Charaktere, Gesichter, Verhalten)Simulation (Rigid Bodys, Fluiddynamik)
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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 …
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Grundlagen der Echtzeitgrafik
Einsatz von paralleler spezialisierter Hardware (Graphics Processing Unit: GPU) ermöglicht sehr schnelle Datenverarbeitung
mehrere hundert Cores (Prozessoren) parallelSehr schneller RAM Zugriff durch dedizierten Speicher (GPU RAM)
Hardwareunterstützung von speziellen mathematischen Methoden (Transformationen, Lichtberechnungen, Filterung)
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Mooresches Gesetz für CPUsGordon Moore, 1965Exponentielles Wachstum der TransistoranzahlVerdopplung alle 18 Monate Jährliches Wachstum von: 1.6
Stagniert im Moment, Verschnellerung durch mehrere Cores (Parallelisierung).
(Logaritmische Achse)
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Mooresches Gesetz für GPUsFast Mooresches Gesetz quadriert
Performanz verdoppelt sich alle 9-12 Monate
Grund: Hardware Parallelisierung is einfach, Echtzeitgrafik ist ein hochparalleles Problem
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Evolution der Echtzeitgrafik
AMD Radeon HD 6970November 2010
2.7 TeraFLOPS2 Gigabyte RAM(1 Terabyte Storage)0.03 Quadratmeter
ASCI RedSchnellster Supercomputer 1999
3.1 TeraFLOPS1616 Gigabyte RAM12.6 Terabyte Storage212 Quadratmeter
Schnellster Supercomputer 2011 Tianhe-1 :4.7 PetaFLOPS14336 CPUs and 7168 GPUs.
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Erste Generation – Wireframe
Vor 1987Transformation und Projektion von ModellenFarbinterpolation
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Zweite Generation – Schattierung
1987-1992 Vollstaendige Dreiecke, TiefeninterpolationEinfache Lichtberechnungen
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Dritte Generation – Texture Mapping
1992-2000Texturen, TexturkoordinatenTexturfilterungMehrfachtexturierung
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Vierte Generation – Programmierfähigkeit
ProgrammierfähigkeitVon Modelltranform-ationen (Animation, Simulation)Lichtberechnungen(Schatten, Oberflächen, globale Beleuchtung)
Ermöglicht eine Vielzahlan Methoden und Effektenund deren KombinationNahezu photorealistisch
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Beispiele
Quake (1996)10-20 Echtzeitmethoden
Crysis 2 (2011)Hunderte an MethodenCa. 1000 fach komplexere Geometrie und Texturen
Video
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Vorgehen in der Echtzeitgrafik
Echtzeitgrafik nutzt eingeschränkte und leicht täuschbare menschliche Perzeption
Simplifizierende Tricks zur Darstellung von zu komplexen Objekten und Effekten.
Beispiel: BäumeHochkomplexe Geometrie
tausende an Ästen, zehntausende BlätterHochkomplexe 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
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Bäume in der Echtzeitgrafik
Zu komplexe Geometrie wird auf wenige, grosse texturierte Flächen reduziert:
Vollständige Korrektheit nicht wahrnehmbar auf EntfernungFehler und Artefakte werden akzeptiert oder ignoriert ohne direkte korrekte Referenz
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Bäume in der Echtzeitgrafik
Video
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Bäume in der Echtzeitgrafik
Akademischer Stand der Technik Nahezu vollstaendige Nutzung einer modernen GPUSchnellste/beste Methoden
Physikalisch basierter Ansatz erlaubt:Vollständiges BaummodellSchnelle Animation aller Äste und BlätterKorrekte dynamische Beleuchtung und Schattierung (Transluzenz, Blattflächen)
Kein Bruch der Illusion auch bei Nahaufnahmen
Kommerzielle Einsatzfähigkeit in ca. 1-2 Jahren
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Bäume in der Echtzeitgrafik
Video
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Computerspiele Industrie
Überholte Filmindustrie 2007-2008Globale Einnahmen ~60 Milliarden $ (Film ~50 G$)
Marktdynamik vergleichbar mit Filmindustrie:
AAA Computerspiel100-350 Millionen $
Rekord: 7 Millionen Einheiten von CoD: Modern Warfare 2 verkauft in 24 h (350 M $)
Blockbuster Film150-270 Millionen $
Rekord: Best Opening Weekend:The Dark Knight (158 M $)
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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
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Computerspiele Industrie - Beispiel
GesichtsanimationPerzeption reagiert auf kleinste Fehler in der AnimationFehler nicht nur störend, sondern illusionszerstörend durch direkten emotionalen Bezug zu Gesicht (im Gegensatz zu Bäumen)
“Uncanny Valley” -Problem
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Beispiele
Mass Effect 2 (2010)3D Artist erstellteGesichtsanimation
L.A. Noire (2011)Motion capturedGesichtsanimationvon Schauspielern
Video
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Weitere Entwicklungen der Echtzeitgrafik
Auflösung sämtlicher Restriktionen in den Berechnungen
Bisher: Restriktive Schnittstellen (OpenGL, DirectX)In Zukunft: allgemeiner paralleler Prozessor
Alles ist erlaubtMethoden 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
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Weitere Entwicklungen der Echtzeitgrafik
Beispiel Ray TracingBisher in Film und Visual EffectsMonte Carlo Simulation von Strahlen
Erlaubt physikalisch akkurate Simulation von Oberflächen und Licht
Aber sehr rechenaufwändigAktuelle CPUs und GPUs bereits schnell genug für sehr einfache SzenenAber nicht schnell genug um mit bisherigen Methoden zu konkurrierenGPUs mit direkter Ray Tracing Unterstützung bereits in Entwicklung
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Beispiele
Video
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Weitere Entwicklungen
Nur leichte Abflachung des Geschwindigkeits-zuwachses in der Hardwareentwicklung
2013: 15 TeraFLOP GPUs
Vereinigung von CPU+GPU auf einem ChipAMD 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
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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
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Pixel 6
3 tägige internationale Computergrafikkonferenz in Wien
ca. 400 TeilnehmerFachvorträge über
FilmproduktionVisual EffectsGames…
Von Pixar, ILM, Disney, Crytek, Lucasfilm …
Nur 45 Euro Eintritt!
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