17 November 2011

Трассировка пути на GPU, часть 1

Computer hardware
Железо и рендеринг
Наиболее популярные, на сегодняшний день, архитектуры процессоров — x86-64. Их относят к CISC. Они обладают огромным набором команд, что привело к большой площади ядра на кристалле. Это, в свою очередь, повлекло за собой сложность в реализации нескольких ядер на чипе. Процессоры x86 не идеальны для многопоточных вычислений, где требуются многократное выполнение небольшого набора команд (RISC).
В свою очередь, рендеринг — алгоритм, который отлично распараллеливается практически на неограниченное количество ядер.

Unbiased renders
В виду того, что производительность железа неуклонно растет — технические вопросы (например семплинг отражений материалов в V-Ray, количество биасов при антиалиасинге, размытии в движении, глубине резкости, мягких тенях) все больше переходят на плечи железа. Так, несколько лет назад появился первый коммерческий рендер «без допущений» (unbiased render) — Maxwell Render.
Основным его преимуществом было качество финальной картинки, минимум настроек, всевозможных «биасов». С течением времени качество картинки приближается к «идеальному». А недостатком было и есть — время рендеринга. Ждать, пока шум сойдет, приходилось очень долго, и многие люди после нескольких проб сразу от него отказались. Еще хуже обстояли дела с анимацией (по понятным причинам).

image

Алгоритм
1. Луч (начальная точка, соответствующая определенному пикселю на экране) выпускается из камеры.
2. Проверить, пересек ли луч один из элементов геометрии. Если нет, то перейти к п.1.
3. Определить ближайшую к камере точку пересечения луча и геометрии.
4. Выпустить из точки пересечения новый луч по направлении к источнику света.
5. Если есть препятствие у луча между точкой пересечения и источником света, то перейти к п.7
6. Закрасить пиксель цветом (упрощенно, цветом поверхности в данной точке, умноженной на интенсивность источника света в точке соприкосновения с лучем)
7. Выпустить из точки пересечения новый луч в произвольном направлении, перейти к п.2, пока не достигнуто максимальное количество отражений (в большинстве случаев 4-8, если в сцене много отражений или преломлений — то надо увеличить это число).

image
Пример «шумной» картинки.

Количество выборок на пиксель для достижения хорошего качества может измеряться тысячами. К примеру, 10 тысяч (зависит от сцены)
Количество лучей на изображение FullHD 2мпикс*10тыс — 20 млрд.
Существуют несколько видов оптимизации трассировки пути: Bi-Directional Path Tracing, Metropolis Light Transport, Energy Redistribution Path Tracing, призванные пускать лучи «куда надо». Большинство рендеров на CPU используют для этой цели алгоритм MLT (Maxwell, Fry, Lux)

Роль GPU
В алгоритме многократно используются операции с плавающей точкой, и многопоточность для этого алгоритма жизненно необходима. Поэтому эту задачу постепенно принимается себя GPU.
Существующие технологии: CUDA, FireStream, OpenCL, DirectCompute, а также есть возможность написания программ непосредственно на шейдерах.

image

Ситуация обстоит так:
CUDA – пишут все, кому не лень (iRay, Octane Render, Arion Render, Cycles, etc).
FireStream – вообще ничего не видно.
OpenCL – SmallLuxGPU, Cycles, Indigo Render. Похоже, никто всерьез не принимает.
DirectCompute – ничего не видно.
Шейдеры — только один пример. WebGL реализация трассировки пути на шейдерах.

Сравнение рендеров будет в части 2.
Tags:GPUрендерингтрассировка лучей
Hubs: Computer hardware
+1
7.3k 40
Comments 19