活溌溌地

レイトレ合宿３！！！　アドベントカレンダー11回　GPU最適化

@koguchitです。どうもです。

レイトレはわくわくしますね。

今回でレイトレ合宿３！！！の11回目のアドベントカレンダーということで、張り切って記事を書いてみたいと思います。

https://sites.google.com/site/raytracingcamp3/
今回はGPU実装の最適化について考えてみたいと思います。

※そもそもGPUを使わずにCPUのみで実装を考えている方には不要かもしれません。とはいえ、GPU実装を考えてみるときに役に立つかも、という感じで軽く目を通していただければと思います。

半導体、特にGPUは目覚ましい進化を遂げてきましたが、ムーアの法則などの成長予測もいよいよ怪しくなってきました。

とはいえ、依然としてGPUの性能進化は継続しており、どのように扱うのか勘所を知っておくとGPUを早く動かすことができます。逆にいうと、うまく扱えないとGPUの性能が出ない場合があるのです。

GPUには大きく3つの特徴があります。

１）近似した描画理論

２）長大なパイプライン

３）並列性

1についてはレイトレ合宿に来る方には解説はいらないくらいと思いますが、概念的にレンダリング方程式を近似・工夫した、基本的に１次の反射、焼きこみを前提にした２次の反射までをベースにした構成をとっています。

２について、１を実際に具現化するためにGPUは長大なパイプラインを構成しています。CPUよりもかなり長いです。このためGPUは構造的にボトルネックが発生しがちです。

３について、三角形やピクセルという独立性の高いデータを扱うようにすることで演算機器を並列に配置し、高速に演算が可能になっています。

これらを構成するためにGPUアーキテクチャに様々なバリエーションがありますが、近年はシェーダ構成が主になり、ソフトウェア自由度が増えてきました。以前は決まった処理しかできない固定機能パイプライン構成だったのに、シェーダができて、なおかつ必要なシェーダステージを選択することができるのです。記法に気を付ければGPUの演算機能を存分に任意の計算に使えるということになります。

ここで、実際にどのように最適化を進めるべきなのか、２つの方針を紹介します。

実践的なアプローチと理論的なアプローチです。

前者の場合にはすでにできているプログラムについて適用します。組むだけ組んでしまって、実際にはどの部分がボトルネックなのかをフレーム単位からバッチ単位、機能ブロック単位に解析し、対処を行います。

対して、後者の場合には、実装するGPUのキャッシュ・演算器・メモリ・固定演算機能等の構成に合わせて高速な結果が出るようなアルゴリズムを選択・設計していくものです。
実際には前者でやりたいことを高速に実現するために、GPUを使うことが多いと思いますが、後者の場合にはGPUが最も最適に動作し、出力に差をつけることができます。

以下に実測ベース最適化で使う解析フローの例を示します。DX11のパイプラインをベースにしています。

今回は概要のみのご紹介ですが、もう少し図とか入れて解説した話題をCG WORLD８月号からプチ連載していますので興味を持たれた方はご覧になってみてくださいね。理論ベース最適化など詳細な話題も含めてGPU GEMSという本にもまとめる予定です。
※ドラフトでいいのでもう少し詳しく見てみたいという方がもしいらしたら、メールかダイレクトメッセージでご連絡ください。

ちなみにですが、
NVIDIA のGTX980などにはボクセルコーントレーシングの加速固定機能ハードウェアなどが入っています。またimagination社などはレイトレGPUを発表しています。

個人的に、もっとレイトレやCG表現をを加速できるGPU機能を見つけたいと思っています。
超並列で高性能なGPUを活かせる新しい機能があったらおもしろいですね。

私は今回、残念ながらプログラムのみのリモート参加にいたします。
結果を楽しみにしています。

みなさんおいしいBBQや温泉、楽しんでくださいね。

それでは。

以下補足：

GPU最適化について、以下などにまとまっていたりします。 NVIDIA GPU Programming Guide, http://www.nvidia.co.jp/object/gpu_programming_guide.html

ちなみに、CPU最適化については以下などがあります。各社の命令種やそのレイテンシの情報がまとまっています。http://www.agner.org/optimize/

参考：各社公式GPU仕様書

AMD Developer Central, Developer Guides, Manuals & ISA Documents, Radeon Southern Islands Acceleration, (2012）
http://developer.amd.com/resources/documentation-articles/developer-guides-manuals/

nVIDIA, White Paper NVIDIA Geforce GTX 980, (2014）, http://international.download.nvidia.com/geforce-com/international/pdfs/GeForce_GTX_980_Whitepaper_FINAL.PDF

Intel, Linux Graphics 2014 Intel Processors based on the Bay Trail Platform Intel Open Source Graphics Programmer’s Reference Manual (PRM）for the 2014 IntelR Atom? Processors, Celeron? Processors, and Pentium? Processors based on the Bay Trail platform (Valleyview graphics）, Volume 5: Memory Views, “Linear vs. Tiled Storage”　 (2014）, https://01.org/linuxgraphics/documentation/2014-intel-processors-based-bay-trail-platform

Imagination, PowerVR Documentation http://community.imgtec.com/developers/powervr/documentation/

Qualcomm, Adreno OpenGL ES Developer Guide
https://developer.qualcomm.com/mobile-development/maximize-hardware/mobile-gaming-graphics-adreno/tools-and-resources

テスト３

テスト２が失敗している？

テスト２

これでレイトレ合宿のアドベントカレンダーが書けるかな。

久々にテスト

しばらくぶりなのでちゃんと書けるかテスト

二次元を三次元に拡張するライブラリのオープンソース化

3dnchu.com/archives/gimpel3d-gpl
面白い
カメラからの入力とか応用できそう

siggraph tokyo 2013

○エクサ安藤さんによる説明
　CAF 鳥人間　Rollin'safari などの紹介　多国の人のため無声映像がおおい。
　賞を取ったのはBlender作品。

　SIGGRAPH のDVDや分厚い本はなどはEncoreというウェブサイトへ
　来年はカナダ　バンクーバー

○DigiPro2013（デジタルプロダクションシンポジウム）報告
　マーサ　斉藤さん　キャプテンハーロック
　オフライン、映画製作者のための発表会。HPG、SCAと重複する日程になりがちらしい。

・Pixar　研究者の登壇。
　研究主導。テーマを見つけるのも研究者。論文、特許、積極的。
　研究からプロダクションへ行くところが一番難しい。
　ホットトピック：Complexity Management / Everything realtime
　物理ベースライティング、インタラクティブライティング、OpenSubdiv

・３D
　前景と後景を別に、同時に撮影する。
　後から調整。
　２つのカメラの重複するところはマッチングとる。

・カメラからのモデリング
　サーフェスリファインメント
　モデリング時のごみを払しょくする手法？

・Cerebella
　テキストデータからのキャラクタモーション付リップシンク
　http://ict.usc.edu/news/usc-showcases-breakthrough-technologies-for-holographic-projections-and-realistic-digital-doubles-at-premier-computer-graphics-and-animation-conferences/
　http://www.youtube.com/watch?v=sD7Q777wIaQ

・キャラクタの単一パイプライン作成
　cortex gather jabuka
　プロシージャルモデリング
　https://github.com/ImageEngine
　http://www.image-engine.com/

・毛　韓国ゴリラ映画
　possion staming
　１００万本の毛
　毛の先端はmass-spring + 従属する毛の制御点はccdソルバで軽量化

・MLAA
　アニメーション効果で使う。コスト削減。
　OLM SMOOTHER
　ゲーム技術

・波・海
　simulation + procedural +アーティストの味付け
　OpenVDD ：　フーディニ上でスムースに制作可能

・ガイドリグ
　リグ作成から共有手法

・ブレンドシェープ顔生成
　１００の顔。デフォーメーショントランスファー【２００４】アルゴリズムを使った
　ブレンドしてもポリゴンのめり込みが少ない。特にマブタ。

・第３者のレビューはアルゴリズムを強固にする。どんどんやるべき。
　来年はバンクーバー

○アート　内山先生
　今年は不作

○Emerging Tech　東大吉田さん
　吉田さん出展作品：顔認識して映像を出すもの
　認識した表情と違う表情を持った映像を流す。

　電通大：バスタブをディスプレイに。
　面白い。

○Paper　工科大石川さん
　ラジオシティの西田研で博士号
　ポスタ１１５件。日本人４０%。
　提出時にはムービーやポスタも一緒に提出すると採択になりやすい。
　ポスタはカラフルに。ムービーはわかりやすく詳細なもの。

・雨氷のシミュレーション。
　FLIP法＋熱計算（格子法と粒子法の組合わせ）
　The blue umbrellaの雨滴はFLIP法　　http://amass.jp/15986
　dropletが表現できる。雨は重力方向にScaling。

・Tech papers 24%の採択率。
　115 conference paper / 32ToG Paper-> 36 sessions

・雪　Material Point Method　 MPM法
　PIC/ FLIP法の拡張　格子法と粒子法のMIX
　motivation : FRONZENという映画。
　流体計算の新しい空間分割法。
　一様に分割しないで必要な分だけ分割。

shading / lighting / rendering　言葉の定義

shading / lighting / rendering

シェーディングライティングレンダリング

オランダの大学のアドバンスドのCGコースから
http://www.students.science.uu.nl/~3220516/advancedgraphics/lectures/

Rendering : putting something on screen , 何かを画面に出すこと

Lighting : calculating light , 光を計算すること
Shading : calculating light & applying it on a surface ,
ライトを計算しサーフェスに適用すること

SIGGRAPH2013

SIGGRAPH2013に坂東さんが出展してるとは！面白そうな論文だなあ
http://web.media.mit.edu/~gordonw/CompressiveLightFieldPhotography/

テラインでメガテクスチャ

高精度Google Earth以外に使い道を考えていなかった
Partial Resident Texture をTerrainに使うことに気がつかされました。
テッセレーションと組み合わせて面白いネタになりそう。
Programmer Artだとコメントしている人がいる。確かに。

http://www.gamedev.net/page/resources/_/technical/graphics-programming-and-theory/virtual-texture-terrain-r3278

コメント欄にあるバーチャルテクスチャのフィルタリングの話題も興味深い。
アニソとか厳しそうだな。

low level GPU docs

http://renderingpipeline.com/graphics-literature/low-level-gpu-documentation/
結構低レベルのすごい量の資料があるなあ。