Hardware pro sledování paprsku - Ray-tracing hardware

Quake Wars: Ray Traced byl vykreslen pomocí nyní zrušené desky Intel Xeon Phi PCI 3.0.

Hardware pro sledování paprsků je speciální počítačový hardware určený pro zrychlení výpočtů sledování paprsků .

Úvod: Ray tracing a rasterizace

Problém vykreslování 3D grafiky lze koncepčně prezentovat jako nalezení všech průsečíků mezi sadou „ primitiv “ (typicky trojúhelníky nebo mnohoúhelníky ) a sadou „paprsků“ (typicky jeden nebo více na pixel).

Až do roku 2010 používaly všechny typické grafické akcelerační desky, nazývané grafické procesorové jednotky (GPU), algoritmy rastrování . Ray tracing algoritmus řeší vykreslování problém jiným způsobem. V každém kroku najde všechny průsečíky paprsku se sadou příslušných primitivů scény.

Oba přístupy mají své výhody a nevýhody. Rastrování lze provádět pomocí zařízení založených na modelu výpočetního proudu , vždy jeden trojúhelník a přístup k celé scéně je potřeba pouze jednou. Nevýhodou rasterizace je, že nelokální efekty, potřebné pro přesnou simulaci scény, jako jsou odrazy a stíny, jsou obtížné; a refrakce téměř nemožné spočítat.

Algoritmus sledování paprsku je ve své podstatě vhodný pro škálování paralelizací jednotlivých vykreslování paprsků. Nic jiného než odlévání paprsků však vyžaduje rekurzi algoritmu pro sledování paprsků (a náhodný přístup ke grafu scény ) k dokončení jejich analýzy, protože odražené, lomené a rozptýlené paprsky vyžadují, aby se k různým částem scény znovu přistupovalo způsobem, který není snadno předvídatelné. Může však snadno vypočítat různé druhy fyzicky správných efektů , což poskytuje mnohem realističtější dojem než rastrování.

Složitost dobře implementovaného algoritmu pro sledování paprsků se logaritmicky škáluje; to je způsobeno tím, že objekty (trojúhelníky a kolekce trojúhelníků) jsou umístěny do stromů BSP nebo podobných struktur a jsou analyzovány pouze v případě, že paprsek protíná ohraničující objem oddílu binárního prostoru.

Implementace

Byly vytvořeny různé implementace hardwaru pro sledování paprsků, experimentální i komerční:

  • (1996) Vědci z Princetonské univerzity navrhli pomocí DSP vybudovat hardwarovou jednotku pro zrychlení sledování paprsku s názvem „TigerSHARK“.
  • Implementace objemového vykreslování pomocí algoritmů sledování paprsků na vlastním hardwaru byly provedeny v roce 1999 společností Hanspeter Pfister a výzkumnými pracovníky společnosti Mitsubishi Electric Research Laboratories . se systémem vg500 / VolumePro založeným na ASIC a v roce 2002 s FPGA výzkumníky z University of Tübingen s VIZARD II
  • (2002) Laboratoř počítačové grafiky na univerzitě v Sársku vedená Dr. -Ingem Slusallkem vyrobila prototyp hardwaru pro sledování paprsků včetně čipu SaarCOR (Saarbrücken's Coherence Optimized Ray Tracer) poháněného na základě FPGA a pokročilejší programovatelný (2005) procesor, Ray Processing Unit (RPU)
  • (2002–2009) Společnost ART VPS (založená 2002) se sídlem ve Velké Británii prodávala hardware pro sledování paprsků pro offline vykreslování. Hardware používal více specializovaných procesorů, které urychlovaly testy průniku paprsků a trojúhelníků. Software poskytoval integraci s datovými formáty Autodesk Maya a Max a pro odesílání dat do procesorů používal jazyk popisu scény Renderman (formát souboru .RIB nebo Renderman Interface Bytestream). Od roku 2010 již ARTVPS nevyrábí hardware pro sledování paprsků, ale nadále vyrábí software pro vykreslování.
  • (2009-2010) Společnost Intel představila svůj prototyp GPU „Larrabee“ a MIC Knights Ferry na fóru Intel Developer Forum v roce 2009 s ukázkou sledování paprsků v reálném čase.
  • Společnost Siliconarts vyvinula vyhrazený hardware pro sledování paprsků v reálném čase (2010). Byl oznámen RayCore (2011), což je první polovodičová IP pro sledování paprsků v reálném čase na světě.
  • Společnost Caustic Graphics vyrobila zásuvnou kartu „CausticOne“ (2010), která při propojení s počítačovým CPU a GPU zrychluje globální osvětlení a další vykreslovací procesy založené na paprscích . Hardware je navržen tak, aby organizoval rozptýlené paprsky (obvykle produkované problémy s globálním osvětlením) do soudržnějších sad (nižší prostorové nebo úhlové rozpětí) pro další zpracování externím procesorem.
  • Společnost Imagination Technologies po získání společnosti Caustic Graphics vyrobila zásuvné karty R2500 a R2100 společnosti Caustic Professional obsahující stopové jednotky RT2 paprsku (RTU). Každá RTU dokázala vypočítat až 50 milionů nesouvislých paprsků za sekundu.
  • Nvidia , která spolupracuje s Microsoft DirectX , oznámila v roce 2018 vývojářskou knihovnu Nvidia RTX, která slibovala rychlá řešení pro sledování paprsků v reálném čase poháněná hardwarově akcelerovaným ray tracingem (tenzorová jádra ASIC), která se nacházejí v GPU generace Volta .
  • V říjnu 2020 společnost AMD oznámila další informace týkající se „obnovení“ mikroarchitektury RDNA . Podle společnosti podporuje mikroarchitektura RDNA 2 hardwarově akcelerované ray tracing v reálném čase.

Poznámky

Reference

Další čtení