Pipeline grafica: differenze tra le versioni

Versione delle 22:45, 7 ott 2005

Versione attuale delle 22:47, 14 gen 2025

(43 versioni intermedie di 32 utenti non mostrate)

Riga 1:

Una '''pipeline grafica''', nella [[computer grafica 3D]], è una sequenza di operazioni atte a restituire e aggiornare un'[[Grafica raster|immagine bitmap]], partendo dagli oggetti tridimensionali presenti nella scena.<ref>{{Cita libro|autore=Marshner, Shirley|titolo=Fundamentals of Computer Graphics|edizione=4|anno=|editore=|città=|p=|pp=|ISBN=}}</ref> Per realizzare l'immagine bitmap la pipeline può implementare uno o più algoritmi come lo [[z-buffer|z-buffering]], il reyes rendering, [[ray tracing]] e altri algoritmi.

{{stub informatica}}

Nella grafica tridimensionale la '''pipeline grafica''' è una [[pipeline]] designata alla trasformazione dei modelli tridimensionali del mondo in immagini [[bitmap]] bidimensionali.

== Pipeline grafica 3D classica ==

Per realizzare l'immagine bitmap la pipeline può implementare uno o più algoritmi come lo [[Z-buffering]], il [[reyes rendering]] e il [[ray tracing]] e altri algoritmi.

[[File:Graphicspipeline-fig1.png|thumb|upright=1.4|Fig.1 - Sistemi di coordinate 3D e terminologia]]

Qualsiasi utilizzo significativo del computer dedicato allo studio della geometria, implica il volere infine visualizzare degli oggetti su un dispositivo grafico. La figura 1 mostra alcune terminologie standard per il primo passo di una classica pipeline grafica tridimensionale, che giunge dalla rappresentazione matematica di un oggetto in <math>R^3</math> alla propria immagine sul dispositivo.<ref name=":0">{{Cita libro|autore=Max K. Agoston|titolo=Computer Graphics & Geometric Modeling - Implementarion & Algorithms|anno=|editore=|città=|p=|pp=|ISBN=}}</ref> Gli oggetti nel mondo sono descritti dall'utente in riferimento a un sistema di coordinate del mondo (''world coordinate system''). Il mondo è poi proiettato su un piano di visualizzazione (''view plan'') da un dato punto di vista (''viewpoint''), che supporremo sia la posizione di una ''camera'' o dell'occhio. Abbiamo un'associazione fra il piano di visualizzazione e il sistema di coordinate della camera. Ciò che viene visto dal punto di vista lungo l'asse z positivo del sistema di coordinate della camera, specifica la direzione della vista (''view direction''). Una finestra (''window'') nel piano di visualizzazione specifica l'area di interesse. Il volume di visualizzazione o la piramide di visualizzazione è l'infinito volume tracciato dai raggi che partono dal punto di vista e passanti attraverso i punti della finestra.

Per limitare l'output degli oggetti, si può usare spesso un vicino (''near'', ''front'', o ''hither'') e un lontano (''far'', ''back'', o ''yon'') ''piano di clipping''.<ref name=":0" /> Il volume che si trova all'interno del volume di visualizzazione e fra questi due piani è chiamato volume di visualizzazione troncato o piramide di visualizzazione troncata. Solo quelle parti degli oggetti che giacciono in questo volume e che vengono proiettate nella finestra, saranno visualizzate. La determinazione di quelle parti di un oggetto è detta [[clipping]]. In linea di principio, i sistemi di coordinate - del mondo, della camera, e del piano visivo - possono essere distinti. In pratica, tuttavia, si assume che gli assi di coordinate della camera e il sistema di coordinate del piano di visualizzazione siano paralleli e che gli assi z siano perpendicolari al piano visivo.<ref name=":0" /> Si assume anche che i loro assi x e y siano paralleli ai lati della finestra.<ref name=":0" />

== Implementazioni ==

La pipeline può essere realizzata in [[software]] o in [[hardware]] sebbene per questioni di velocità e di prestazioni tutte le moderne [[scheda grafica|schede grafiche]] dispongono di una pipeline grafica più o meno avanzata. Sebbene esistano molte implementazioni di una pipeline grafica tutte queste implementazioni suddividono il lavoro in quattro operazioni principali:

Il passo finale nel mappare un oggetto a un dispositivo grafico, comporta una mappatura che trasforma le coordinate del piano visivo in coordinate del dispositivo fisico.<ref name=":0" /> Questo è generalmente pensato come un processo a due fasi. Inizialmente, una prima mappa trasforma la finestra in una ''viewport'' (che è un sotto-rettangolo di un rettangolo fisso chiamato ''logical screen'') e dopo una seconda mappa trasforma le coordinate del logical screen nelle coordinate del dispositivo fisico. A volte il logical screen è già definito in termini di queste coordinate, così che la seconda mappa non è necessaria. Altre volte, esso è posto uguale a un rettangolo fisso come per esempio il [[quadrato unitario]] <math>[0,1]\times [0,1]</math>, nel cui caso possiamo dire che la viewport è specificata in coordinate di dispositivo normalizzate (''normalized device coordinates'', NDC). La classica pipeline grafica 3D può quindi essere riassunta come mostrato nella figura 3.

* Adattamento coordinate: Durante questa fase tutti gli oggetti tridimensionali vengono caricati nella memoria della scheda grafica e le loro coordinate vengono memorizzate tenendo conto della convenzione del motore grafico e della posizione della telecamera virtuale

* Individuazione superfici nascoste: Durante questa fase tutti i poligono che non sono visibili dalla telecamera virtuale vengono eliminati.

[[File:Graphicspipeline fig3.png|thumb|upright=1.4|Fig.2 - Pipeline finestra-dispositivo]]

* Luci e ombre: Durante questa fase vengono calcolati i colori e i riflessi degli oggetti tenendo conto delle proprietà dei singoli poligono e delle luci incidenti e riflesse

* Proiezione 3D: Durante questa fase la scena tridimensionale viene proiettata su un piano bidimensionale che sarà l'immagine bidimensionale visualizzata sul monitor.

Attenzione: la distinzione fra "finestra" e "viewport" è spesso sfocata, e a volte, ciò che dovrebbe essere chiamato viewport viene chiamato finestra. La finestra specifica che <u>cosa</u> viene visto nelle coordinate utente, e la viewport specifica <u>dove</u> quel qualcosa viene visualizzato.<ref name=":0" /> Vedi la figura 2.

[[File:Graphicspipeline fig2.png|thumb|center|upright=3.4|Fig.3 - La pipeline grafica 3D di base]]

La pipeline può essere realizzata in [[software]] o in [[hardware]], sebbene per questioni di velocità e di prestazioni tutte le moderne [[scheda grafica|schede grafiche]] dispongonodispongano di unadiverse pipeline graficagrafiche più o meno avanzataavanzate. Sebbene esistano molte implementazioni di una pipeline grafica tutte queste implementazioni suddividono il lavoro in quattro operazioni principali (riassumendo quanto detto in precedenza):

* [[Modellazione 3D|Modellazione]]: Durante questa fase vengono generati, come insieme di vertici, gli oggetti da rappresentare; ad esempio linee, poligoni, punti.

* Elaborazione geometrica: In questa fase si attuano principalmente tre elaborazioni:

** Normalizzazione (o Viewing): ovvero l'adattamento delle coordinate degli oggetti a quelli della camera virtuale.

** [[Clipping]]: vengono rimosse tutte le parti degli oggetti non visibili, perché fuori dalla vista.

** Luci[[Ombreggiatura]] (Lighting e ombreShading): Durantein questa fase vengono calcolati i colori e i riflessi degli oggetti tenendo conto delle proprietà dei singoli poligonopoligoni e delle luci incidenti e riflesse.

* [[Proiezione (geometria)|Proiezione]]: L'immagine 3D è proiettata sulla superficie 2D.

* [[Rasterizzazione]] o Scan Conversion: La scena è convertita da un insieme di vertici ad un insieme di pixels ([[bitmap]] o immagine [[Grafica raster|raster]]).

=== Esempio dei passaggi degli shader in una pipeline grafica ===

{{vedi anche|Shader}}

Un ipotetico processo di funzionamento, con all'interno gli shader, potrebbe essere il seguente<ref>{{Cita libro|autore=M. Bailey, S. Cunningham|titolo=Graphics Shaders: Theory and Practise|edizione=2|anno=|editore=|città=|p=|pp=|ISBN=}}</ref>:

# La [[CPU]] invia le istruzioni e le coordinate 3D della scena alla GPU

# Nel vertex shader programmabile viene trasformata la geometria e vengono applicati alcuni effetti di illuminazione

# Il geometry shader, se presente, trasforma ulteriormente la geometria della scena

# La geometria viene riprodotta in triangoli, che vengono ulteriormente trasformati in ''quad'' (ogni quad è una primitiva di 2x2 pixel)

# Vengono applicati ulteriori effetti tramite il pixel shader

# Viene effettuato il test di visibilità ([[z-test]]): se un pixel è visibile, viene scritto nel [[framebuffer]] per l'output su schermo.

== Gestione ==

La pipeline grafica può essere gestita direttamente dal programma tramite accesso diretto all'hardware o può essere gestita tramite librerie grafiche che forniscono delle primitive di manipolazione che vengono utilizzate dal programma.<ref name=":0" /> Nella maggior parte dei casi vengono utilizzaleutilizzate le librerie grafiche sebbene queste introducano una leggera penalizzazione delle prestazioni permettano al programma di sfruttare le schede grafiche in commercio senza dover scrivere una versione apposita del programma per ogni tipologia di scheda grafica. Le più diffuse librerie grafiche tridimensionali sono l'[[OpenGL]] e le [[DirectX]].

[[File:Pipeline OpenGL.svg|thumb|center|upright=2.2|Pipeline OpenGL]]

[[Categoria:Computer grafica]]

== Note ==

<references />

== Bibliografia ==

* Frank Luna, Introduction to 3D Game Programming with DirectX 11, 2011

* [http://lvelho.impa.br/i3d11/clip/00210494.pdf James F. Blinn. ''A Trip Down the Graphics Pipeline: The Homogeneous Perspective Transform''. IEEE Comput. Graph. Appl., 1993.]

* [https://pdfs.semanticscholar.org/d291/591afede09b1049be57e0d1e394017c3aecb.pdf?_ga=2.142054066.1876649047.1496773235-480852760.1496773235 Jonathan Ragan-Kelley, Jaakko Lehtinen, Jiawen Chen, Michael Doggett, and Frédo Durand. ''Decoupled sampling for graphics pipelines''. ACM Trans. Graph., May 2011.]

* [https://graphics.stanford.edu/papers/gramps-tog/gramps-tog09.pdf Jeremy Sugerman, Kayvon Fatahalian, Solomon Boulos, Kurt Akeley, and Pat Hanrahan. ''GRAMPS: A programming model for graphics pipelines''. ACM Trans. Graph., 2009.]

== Voci correlate ==

* [[Computer grafica 3D]]

* [[Shader]]

== Altri progetti ==

{{interprogetto|preposizione=sulla}}

{{stub portale|informatica}}

[[Categoria:ComputerHardware per grafica]]

[[de:Rendering-Pipeline]]

[[en:Graphics pipeline]]