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Wann wird dynamisches Echtzeit- Raytracing für den Massenmarkt verfügbar? Alexander Stromer SS2012 / 20.9.2012 / Universität Trier

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Präsentation zum Thema: "Wann wird dynamisches Echtzeit- Raytracing für den Massenmarkt verfügbar? Alexander Stromer SS2012 / 20.9.2012 / Universität Trier"—  Präsentation transkript:

1 Wann wird dynamisches Echtzeit- Raytracing für den Massenmarkt verfügbar? Alexander Stromer SS2012 / / Universität Trier

2 Quelle:

3 Zentralprojektion Heute übliches Verfahren in Grafikkarten / 35

4 Ray Tracing Rendering-Algorithmus für 3D-Szenen Lichtstrahl nachempfunden / 35

5 Verfahrensablauf Algorithmus 1. Erzeuge Strahl von Bildebene (Pixel) 2. Suche nähestes Objekt auf Strahl 3. Farbe von Punkt abspeichern 4. Erzeuge Refraktion-/Reflexionsstrahl -> gehe zu 2 Punkt 2 ineffizient -> Beschleunigungsstrukturen / 35 Beschleunigungsstrukturen Lesegeschwindigkeit Schreibgeschwindigkeit

6 Gängige Beschleunigungsstrukturen kd-Baum Bounding Volume Hierarchies Quelle: Quelle: 6 / 35

7 Evolution - Verdeckungsberechnung Quelle: 7 / 35

8 Evolution - Schattenberechnung Quelle: 8 / 35

9 Evolution - Rekursiv Quelle: 9 / 35

10 Evolution – Diffus / Distributed Quelle: 10 / 35

11 Evolution - Path Tracing Quelle: 11 / 35

12 Ray Tracing vs. Zentralprojektion (CONTRA Ray Tracing) Ray Tracing Zentralprojektion Berechnungsintensiv 3D-Modell-Änderungen verringern Effizienz Schnelle Berechnung 3D-Modell-Änderungen haben geringe Auswirkung 3D-Grafikkarten bereits optimiert / 35

13 Ray Tracing vs. Zentralprojektion (PRO Ray Tracing) Ray Tracing Zentralprojektion Anzahl der Objekte des 3D-Modells nicht relevant Realistische Darstellung Einfacher Algorithmus Höchst parallelisierbare Berechnungen Komplexität der Szene wächst mit Anzahl der Objekte im 3D-Modell Viele Workarounds notwendig um Realismus zu imitieren Teilweise Parallelisierbarkeit / 35

14 2. Aktueller Stand Quelle:

15 Technische Umsetzung Mit existierender Hardware Software auf CPU (Intel-MIC / Daniel Pohl) Software auf GPU (nVidia Optix / Andreas Dietrich) Software auf anderen Prozessoren (Cell) Mit neuer Hardware (RPU/SaarCOR, Uni Saarbrücken) / 35

16 Standardszene - Conference Statische Szene 282k Dreiecke Übliche Referenz Diffuses Rendering 2009 Intel MIC (24 cores) -> 36MRays/s -> Quelle: 16 / 35

17 Effizienz für Conference-Szene TechnikMega Rays/s 1024 Pixel x 1024 Pixel x 10 rays per 25 fps~260 HD1080: 1920 x 1080 x 60~2500 CPU [JS2004]~1,6 CPU (qwrt, non-std) [DP2009]~46 CPU (wolfrt, non-std) [DP2012]~26 GPU [AL2009]~142 GPU [SP2010]~193 Cell [HF2006]~240 SaarCOR / RPU [SW2006]~3,2 / ~ / 35

18 3. Herausforderungen Quelle:

19 Beschleunigungsstruktur Gut für statische Szenen Neuberechnung hinderlich für bewegende Szenen Eigenes Forschungsgebiet Momentane Vorstoßrichtung: Hierarchie-Bäume (BVH) / 35

20 Diffuses Raytracing Etablierte Methode für weiche Schatten Benötigt Rays pro Pixel Keine Forschung / 35

21 Hardwaretransition 1/3 Veränderte Grafikpipeline notwendig Quelle: 21 / 35

22 Hardwaretransition 2/3 GPU vs CPU - Rennen GPU Shader müssen verwaltbarer werden (mehr Flexibilität) Dualpurpose-Pipeline (Raytracing, Zentralprojektion) Sinnvoller in der Umsetzung (Aufwand der Grafik -> GPU als Grafikeinheit des PCs) CPU mehr Cores notwendig Cores für Grafik oder Cores für Gameloop? / 35

23 Hardwaretransition 3/3 Intel, AMD/ATI, Nvidia arbeiten bereits daran Paradigmenwechsel schon bei Programmierung(OpenRT) ohne Massenmarkt zu verlieren! -> Industriestandard notwendig / 35

24 Kosten - Nutzen Rechenmehraufwand Umstellung Hardware (Herstellerseite) Umstellung neue Schnittstelle (OpenRT o.ä.) Umstellungsperiode (Unterstützung bei Kunden garantieren) Viel weniger Programmieraufwand Fokus auf andere Gebiete möglich Realistische Darstellung (keine Approximationen mehr) Zukunftsfähige Lösung / 35

25 4. Zukunft Quelle:

26 Allgemein Hinweise - Papers / 35 Realtime ray tracing can become a viable alternative graphics technology if it can be offered within a single desktop computer – Jörg Schmittler et al [JS2004].. given the lead times in game and hardware development, it seems that the time may be right to explore ray tracing based games.. – Heiko Friedrich et al [HF2006] With advances in CPU hardware and increased availability of parallel machines.., ray tracing has reached a stage where it is no longer limited to only off-line rendering. – Ingo Wald et al [IW2007]

27 Allgemein Hinweise - Industrie Intel, AMD/ATI, Nvidia arbeiten bereits an Raytracing- Unterstützung Radiosity in Zentralprojektion als Vorbote von Raytracing / 35 There are too many things [about rasterization] that weve suffered with, especially for shadows and environment mapping. We live with hacks that ray tracing can let us do much better. – John Carmack [JC2011]

28 Maximal sinnvolle Auflösung Auge: 120 MegaPixel (Stäbchen) -> z.B x 8000 Pixel Bildschirm Raytracing: 120 MP x fps = 144 Giga Rays/s Spezifikation: WHUXGA = 7680 x 4800 P = 36MP / 35

29 Moores Law Gordon Moore 1965 / Intel Alle 2 Jahre -> Verdopplung der Transistorzahl Quelle: 29 / 35

30 Moores Law in Raytracing Quelle: eigene Erstellung 30 / 35

31 Fazit 1 Raytracing ist die langfristig sinnvolle Alternative gegenüber Zentralprojektion Zentralprojektion bleibt als Approximation immer günstiger, aber SW-Hersteller (Spielemarkt) müssen sich zunehmend mit unnötiger Programmierung konfrontieren (-> Druck auf Wechsel) Spezielle HW wird sich etablieren (Cell-ähnlich) und so Leistung voll ausschöpfen erreicht diese HW laut Moores Law die Reife für Augen-Auflösung (120MP) / 35

32 Fazit 2 Schnelle Beschleunigungsstruktur-Updates sind lösbar (insb. mit schnellerer HW) -> 2025 wahrscheinlicher Umstieg auf Raytracing (eher früher wegen Realismus-Programmieraufwand durch Hersteller) / 35

33 Weiterführende Information für Interessierte Präsentation verfügbar unter Website Prof. Sturm Exploring the Use of Ray Tracing for Future Games – Heiko Friedrich et al OptiX: A General Purpose Ray Tracing Engine – Steven Parker et al – Nvidia Ray Tracing Deformable Scenes Using Dynamic Bounding Volume Hierarchies – Ingo Wald et al SIGGRAPH – / 35

34 Referenzen 1 [JS2004] - Realtime Ray Tracing of Dynamic Scenes on an FPGA Chip – Schmittler et al [HF2006] - Exploring the Use of Ray Tracing for Future Games – Heiko Friedrich et al [SW2006] - RPU: A Programmable Ray Processing Unit for Realtime Ray Tracing – Sven Woop et al [DP2009] – Quake Wars gets ray traced - Intel [AL2009] - Understanding the Efciency of Ray Traversal on GPUs – Aila/Laine – Nvidia / 35

35 Referenzen 2 [IW2007] - State of the Art in Ray Tracing Animated Scenes – Ingo Wald et al [SP2010] - OptiX: A General Purpose Ray Tracing Engine – Steven Parker et al – Nvidia [JC2011] - Carmack-Interview-gPu-Race-Intel-graphics-Ray-Tracing- Voxels-and-more/www.pcper.com/reviews/editorial/John- Carmack-Interview-gPu-Race-Intel-graphics-Ray-Tracing- Voxels-and-more/ [DP2012] – Experimental Cloud basedRay Tracing – Intel / 35


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