Uma Arquitetura de Suporte a Interações 3D ... - DCA - Unicamp

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22 Revisão bibliográfica ano para as GPUs [Fernando, 2004], contra um máximo de 50% do crescimento anual do desempenho das CPUs [Dally, 1999]. Contudo, tal evolução tem sido concentrada no melhoramento de técnicas de síntese de imagens em oposição ao melhoramento de técnicas de interação 3D. Do nosso conhe- cimento, o máximo que se tem feito para se adequar às deformações geométricas ocorridas na GPU é implementar uma cópia das funções de deformação na CPU e utilizá-las sempre que uma interação com o modelo for necessária. Neste trabalho, apresentamos um paradigma inovador que, tirando as vantagens de processamento da GPU, consegue identificar os pontos de interseção entre um raio de seleção e os objetos da cena sem recorrer à replicação das funções de deformação na CPU. Para contextualizar melhor a nossa contribuição, apresentamos nesta seção um histórico da evo- lução do hardware voltado a aceleração de técnicas de visualização, de modo a contrapor com a evolução das bibliotecas de interação por manipulação direta citadas anteriormente. Em especial, concentramo-nos na evolução dos sistemas compatíveis com as APIs gráficas GL. Isso inclui todos os sistemas produzidos pela SGI com fluxo de renderização compatível com APIs como OpenGL [Shreiner et al., 2005] e Direct3D [Microsoft, 2006]. Inclui, também, todas as placas gráficas utilizadas atualmente em computadores pessoais, e os sistemas compatíveis com as já obsoletas APIs IrisGL [McLendon, 1992] da SGI e Glide [3Dfx, 1997] da então 3Dfx Interactive, Inc. Essa linha de evolução incorpora mais de 20 anos de desenvolvimento de hardware gráfico: de 1983 à 2007. Em particular, dividimos essa cronologia em quatro gerações de acordo com o conjunto de funcionalidades implementadas em comum [Akeley and Hanrahan, 1999]. Historicamente, tais funcionalidades têm sido definidas conjuntamente pelas indústrias de hardware, desenvolvedores de APIs gráficas e desenvolvedores de aplicações, levando em conta a análise de custo e demanda do mercado. Indi- retamente, essa evolução reflete também o aprimoramento das GPUs em termos de desempenho e qualidade da imagem gerada. Em especial, as quatro gerações são as seguintes: • Primeira geração. Constituída de hardware gráfico capaz de realizar apenas transformações geométricas em vértices e recorte de polígonos. • Segunda geração. Incorpora as características da primeira geração, e inclui a capacidade de processar uma equação pré-definida de iluminação para cada vértice. • Terceira geração. Incorpora as características das gerações anteriores, e acrescenta funcionalidades de amostragem de texturas. • Quarta geração. Inaugura a capacidade de programação dos processadores de vértices e frag- mentos através da API gráfica.
2.3 Evolução do hardware gráfico 23 2.3.1 Primeira geração: transformação geométrica A primeira geração de hardware gráfico compatível com APIs gráficas GL compreende a família de sistemas gráficos da SGI produzidos no período de 1983 à 1987. Essa categoria inclui as primeiras estações e terminais lançados pela SGI, contendo então os primeiros sistemas gráficos produzidos em série, como os terminais da série IRIS (Integrated Raster Imaging System) 1000 lançados em 1983. As séries IRIS 2000 e 3000 também são incluídas nesta classe. Um sistema IRIS 2000 (1984) era capaz de processar cerca de 30.000 vértices por segundo e preencher 46 milhões de pixels por segundo. Inicialmente essa família era constituída de hardware capaz de exibir apenas modelos arama- dos (wireframe), e só posteriormente incluiu os primeiros sistemas capazes de renderizar triângulos preenchidos com cores sólidas. O mecanismo de rasterização era capaz de desenhar pontos e linhas com interpolação de cores, e triângulos preenchidos com uma cor sólida. O buffer de profundidade era inexistente. O hardware gráfico desses primeiros sistemas gráficos da SGI já era equipado com um fluxo completo de processamento de vértices, incluindo transformação geométrica, recorte com relação ao volume de visualização e projeção. Funcionalidades similares só seriam implementadas em hardware gráfico de computadores pessoais a partir de 1999 com o surgimento da placa gráfica NVIDIA GeForce 256. 2.3.2 Segunda geração: triângulos sombreados e iluminação Os sistemas SGI GT da série Professional IRIS Series, modelos 4D(50-85), lançados a partir de 1987, inauguraram a segunda geração de hardware gráfico, caracterizada pela introdução da raste- rização de triângulos preenchidos com interpolação de cores segundo o modelo Gouraud [Gouraud, 1971], suporte a buffer de profundidade e capacidade de combinar cores de acordo com o valor de opacidade de cor nos vértices (alpha blending). Tão importante quanto essas características, tais sistemas eram capazes de realizar todo o processamento de iluminação de vértices, i.e., podiam avaliar a equação do modelo de iluminação para obter a contribuição de luz difusa e especular para cada vértice, sem depender da CPU. Da mesma forma que o processamento de transformação geométrica, essa característica só surgiu em hardware gráfico para computadores pessoais a partir de 1999. De acordo com Corda [1996], o sistema gráfico GTX dessa segunda geração podia trabalhar com uma resolução de até 1280 × 1024 pixels, processar mais de 405.000 vértices por segundo e 80 milhões de pixels por segundo.
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