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Raytracing, the future of realtime computer graphics?. von Miroslav Knejp. Übesicht. Erste Eindrücke Rasterization, die Quadratur des Dreiecks Erster Einsatz in Spielen Das grundlegende Prinzip Vor- und Nachteile Raytracing, die Simulation der Realität Die Entstehungsgeschichte

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Von miroslav knejp

Raytracing, the future of realtime

computer graphics?

von

Miroslav Knejp


Besicht
Übesicht

  • Erste Eindrücke

  • Rasterization, die Quadratur des Dreiecks

    • Erster Einsatz in Spielen

    • Das grundlegende Prinzip

    • Vor- und Nachteile

  • Raytracing, die Simulation der Realität

    • Die Entstehungsgeschichte

    • Wie funktioniert es?

    • Vor- und Nachteile

    • Hardwareumsetzung

  • Ein Blick in die Sterne

    • Hybridverfahren

    • Der SaarCOR Pionier






Besicht1
Übesicht

Erste Eindrücke

Rasterization, die Quadratur des Dreiecks

Erster Einsatz in Spielen

Das grundlegende Prinzip

Vor- und Nachteile

Raytracing, ein physikalisches Modell

Die Entstehungsgeschichte

Wie funktioniert es?

Vor- und Nachteile

Hardwareumsetzung

Ein Blick in die Sterne

Hybridverfahren

Der SaarCOR Pionier


Rasterization
Rasterization

  • 1996: Quake ist das erste Spiel mit Rasterization und Polygonen

  • Fast komplett von John Carmack allein geschrieben

  • Michael Abrash für Optimierungen einbezogen

  • Erste Anwendung von Lightmaps

  • Anfangs reiner Software Rasterizer

  • Später Support für Renditions‘s Vérité 1000 Grafikchip

  • GLQuake für Windows 95

  • Demonstrierte die Fähigkeiten der 3dfx „Voodo“ Chipsätze

    Inzwischen glauben viele, dies wäre der Auslöser für die Gründung neuer Unternehmen und die revolutionäre Entwicklung der Grafikkarten gewesen.


Scanline algorithmus
Scanline Algorithmus

  • Anfangs nur die Eckpunte bekannt

  • Berechne die Kantenvektoren und die Umkehrung der Steigung 1/m. Die Kanten gehen von oben nach unten

  • Wähle Kanten ausgehend vom höchsten Punkt

  • Zeichne alle Punkte zwischen den x Werten der Kantenanfänge

  • Veschiebe die Kanten um 1 nach unten und addiere 1/m auf die x Werte

  • Zeichne alle Punkte zwischen den neuen x Werten

  • Wiederhole bis keine Kanten mehr da


Vor nachteile
Vor- & Nachteile

  • Einfacher Algorithmus mit minimalem Rechenaufwand

  • Äußerst effektive Hardwareumsetzungen

  • Keinerlei forgeschrittene Effekte

    • Schattenwurf (Stencil-Buffer Maske)

    • Reflexionen (Stencil-Buffer Maske)

    • Refraktionen (nur mit Shadern)

  • Runde Flächen nur mit vielen Polygonen möglich

  • Beluchtungsmodell wird meist auf mehr Bildpunkte angewandt als nötig


Besicht2
Übesicht

Erste Eindrücke

Rasterization, die Quadratur des Dreiecks

Erster Einsatz in Spielen

Das grundlegende Prinzip

Vor- und Nachteile

Raytracing, ein physikalisches Modell

Die Entstehungsgeschichte

Wie funktioniert es?

Vor- und Nachteile

Hardwareumsetzung

Ein Blick in die Sterne

Hybridverfahren

Der SaarCOR Pionier


Historisches
Historisches

  • 1966 Mathematical Application Group Inc. (MAGI) für Strahlungsdarstellung mit ray casting

  • 1968 Arthur Apple nimmt in betracht ray casting für Grafikdarstellung zu benutzen

  • 1972 wird MAGI wird zu Animatinsstudio

  • Erstellte damals 3-D Animationen für TV, Bildungskanal und TRON

  • 1979 Turner Whitted erweitert ray casting um weitere, rekursiv erstelte, Strahlen und schafft damit den Durchbruch der Computergrafik und nennt das Verfahren ray tracing






Vorteile
Vorteile

  • Pixelgenaue Beleuchtung, ziemlich realistische Lichtverhältnise

  • Beleuchtungsmodell wird nur auf sichtbaren Objektpunkten ausgewertet

  • Realistische Schatten, Reflexionen und Refraktionen sind eingebaute Effekte und benötigen keine Tricks oder Shader

  • Shader sind weiterhin einsetzbar

  • Mit guten Sortieralgorithmen ist die Komplexität der Szene fast irrelevant (k-D Bäume)

  • Runde Flächen durch Gleichungen oder Interpolation erreichbar

  • Hypertextures


Nachteile
Nachteile

  • Schnittpunktberechnungen zwischen Gerade und Dreieck langsam

  • Geradengleichung: X = O + µ * D

  • Unterschiedlich je nach Schnittobjekt (Ebenen, Kugeln, Dreiecke, NURBS etc.)

  • Ohne einen effizienten Sortieralgorithmus der Geometrie kaum machbar, da sonst O(n) für jeden Strahl, mitn = Anzahl Objekte in der Szene!

  • Führt zu Aliasing

  • Weiche Schatten sind teuer

  • Trotz statischer Szene müssen alle Licht- und Schattenberechnungen für jeden Blickpunkt durchgeführt werden

  • Globales Diffuses Licht wird nicht berücksichtigt


K d b ume
k-D Bäume

  • k-dimensionale Raumeinteilungsbäume

  • Jede Aufzweigung unterteilt den Raum entlang einer der Hautpachsen

  • Die Vergleichsachse wird bei jedem Tiefenschritt cyklisch gewechselt

  • Jeder Knoten enthält genau ein Element; Speicherverbrauch O(n)

  • Konstruktion in O(n log n)

  • Orthogonale Bereichssuche: Finde alle Knoten, deren Position in einem bestimmten Suchbereich liegt O(n1-1/k)

  • Interaktives Beispiel


Hardwareumsetzung
Hardwareumsetzung

  • Zur Zeit keine echten Raytracer Grafikkarten vorhanden

  • Rekursionen lassen sich schwierig mit hoher Effizienz umsetzen

  • Rasterizer: Jedes Dreieck wird einzeln berechnet und dann verworfen

  • Raytracer: Gesamte Gemoetrie muss während des Vorgangs gespeichert werden

  • Maximale Parallelität, da Strahlen voneinander unabhängig


Besicht3
Übesicht

Erste Eindrücke

Rasterization, die Quadratur des Dreiecks

Erster Einsatz in Spielen

Das grundlegende Prinzip

Vor- und Nachteile

Raytracing, ein physikalisches Modell

Die Entstehungsgeschichte

Wie funktioniert es?

Vor- und Nachteile

Hardwareumsetzung

Ein Blick in die Sterne

Hybridverfahren

Der SaarCOR Pionier


Hybridverfahren
Hybridverfahren

  • Ersetze die Schnittpunktberechnung durch Rasterizer

  • Anstatt der Farbe wird Position des Schnittpunkts und ein Zeiger auf das Dreieck gespeichert

  • Damit wird die erste Stufe deutlich beschleunigt

  • Ist nur für mittel gefüllte Szenen brauchbar wegen der Rasterizer Nachteile

  • Schattenberechnung, Transparenz und Spiegelung müssen wieder vom Raytracer Algorithmus übernommen werden

  • Hoher Geschwindigkeitsschub bei wenig Spiegelungen und Lichtbrechungen


Der saarcor
Der SaarCOR

  • Echtzeit Raytracing Chip der Universität Saarbrücken

  • Wurde am Lehrstuhl für Computergrafik unter Prof. Phillip Slusallek entwickelt

  • SIGGRAPH 2005 wurde er erstmals im Cell-Processor von IBM demonstriert

  • Der erste und einzige Raytracing Chip

  • OpenRT: Eine Software Grafik API, die stark an die von OpenGL angelehnt ist und die Grundlage für den Chip war

  • Kann riesige Datenmengen in Echtzeit darstellen

  • Automobilindustrie setzt das Echtzeit-Raytraicing Verfahren bereits in der Planungsphase ein, um Fehler vor der Produktion zu finden

  • RPU: Programmable Ray Processing Unit

  • www.saarcor.de


Saarcor technisches
SaarCOR Technisches

  • Realisiert auf einem FPGA Chip

  • FPGA = Field Programmable Gate Array, besteht aus sehr vielen programmierbaren Elementen (= Gates), deutlich langsamer als festverdrahtete Logik

  • 90 MHz Grundtakt

  • 6 x 4 MB SD-RAM

  • 2 RAM Riegel für Framebuffer, 1 Riegel für Shader und 3 Riegel für k-D Baum und Dreiecke

  • 300 MB/s Speicherbandbreite von Raytracer und Shader genutzt

  • 135 MB/s zum Zeichnen einer 1024x768 Szene auf dem Bildschirm

  • PCI Anschluss

  • Festverdrahtete Logik könnte noch schnellere Taktungen und mehr Speicher/Bandbreite erreichen


Saarcor performance
SaarCOR Performance

OpenRT: 2,66 GHz Pentium 4 | 512 x 384 Auflösung

SaarCOR/RPU: 66 MHz | Texturen, Shading & Filter


Nvidia 8800 gtx
nVidia 8800 GTX

  • 3D Mark03

  • 25 494 022 Triangles

  • 84,69 fps

  • Deutlich höhere Transistorzahlen als complette Quad-Core CPUs

  • GPU-Takt: 575 MHz

  • Speichertakt: 1800 MHz

  • 128 Shader Einheiten (1,35 GHz)

  • 768 MB GDDR3 RAM

  • 30 GB/s Anbindung (könnte über 100 Raytracing Einheiten versorgen)

  • Der bis heute schnellste veröffentlichte Raytracer auf GPUs schaffte 300k bis 4M Strahlen pro Sekunde ohne Geometry Shader (ATI Radeon 9700PRO)

  • Der FPGA Prototyp schafft 3M bis 12M Strahlen pro Sekunde mit deutlich geringeren Energie- und Bandbreitenanforderung

  • Fazit: Ein festverdrahteter SaarCOR, der um eine oder zwei Größenordnungen erweitert wird, würde bereits die Fähigkeiten normaler Grafikkarten übertreffen.



Echt oder k nstlich
Echt oder künstlich?

Danke für die Aufmerksamkeit

Q & A


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