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Wann wird dynamisches Echtzeit- Raytracing fr den Massenmarkt verfgbar? Alexander Stromer SS2012 / 20.9.2012 / Universitt Trier alexander@stromer.me

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Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=bn_9_Zsjuwchttp://www.youtube.com/watch?v=bn_9_Zsjuwc 20.9.2012

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Zentralprojektion Heute bliches Verfahren in Grafikkarten 20.9.20123 / 35

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Ray Tracing Rendering-Algorithmus fr 3D-Szenen Lichtstrahl nachempfunden 20.9.20124 / 35

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Verfahrensablauf Algorithmus 1. Erzeuge Strahl von Bildebene (Pixel) 2. Suche nhestes Objekt auf Strahl 3. Farbe von Punkt abspeichern 4. Erzeuge Refraktion-/Reflexionsstrahl -> gehe zu 2 Punkt 2 ineffizient -> Beschleunigungsstrukturen 20.9.20125 / 35 Beschleunigungsstrukturen Lesegeschwindigkeit Schreibgeschwindigkeit

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Gngige Beschleunigungsstrukturen kd-Baum Bounding Volume Hierarchies 20.9.2012 Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Bounding_volume_hierarchyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bounding_volume_hierarchy Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/K-d-Baumhttp://de.wikipedia.org/wiki/K-d-Baum 6 / 35

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Evolution - Verdeckungsberechnung 20.9.2012 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracinghttp://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing 7 / 35

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Evolution - Schattenberechnung 20.9.2012 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracinghttp://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing 8 / 35

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Evolution - Rekursiv 20.9.2012 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracinghttp://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing 9 / 35

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Evolution Diffus / Distributed 20.9.2012 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracinghttp://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing 10 / 35

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Evolution - Path Tracing 20.9.2012 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracinghttp://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing 11 / 35

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Ray Tracing vs. Zentralprojektion (CONTRA Ray Tracing) Ray Tracing Zentralprojektion Berechnungsintensiv 3D-Modell-nderungen verringern Effizienz Schnelle Berechnung 3D-Modell-nderungen haben geringe Auswirkung 3D-Grafikkarten bereits optimiert 20.9.201212 / 35

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Ray Tracing vs. Zentralprojektion (PRO Ray Tracing) Ray Tracing Zentralprojektion Anzahl der Objekte des 3D-Modells nicht relevant Realistische Darstellung Einfacher Algorithmus Hchst parallelisierbare Berechnungen Komplexitt der Szene wchst mit Anzahl der Objekte im 3D-Modell Viele Workarounds notwendig um Realismus zu imitieren Teilweise Parallelisierbarkeit 20.9.201213 / 35

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2. Aktueller Stand Quelle: http://www.vray.com/vray_for_maya/gallery/index.shtmlhttp://www.vray.com/vray_for_maya/gallery/index.shtml

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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 Saarbrcken) 20.9.201215 / 35

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Standardszene - Conference Statische Szene 282k Dreiecke bliche Referenz Diffuses Rendering 2009 Intel MIC (24 cores) -> 36MRays/s -> 360x354@17fps 20.9.2012 Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=yvCVD3xtvTghttp://www.youtube.com/watch?v=yvCVD3xtvTg 16 / 35

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Effizienz fr Conference-Szene TechnikMega Rays/s 1024 Pixel x 1024 Pixel x 10 rays per pixel @ 25 fps~260 HD1080: 1920 x 1080 x 20 @ 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 / ~1 20.9.201217 / 35

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3. Herausforderungen Quelle: http://www.vray.com/vray_for_rhino/gallery/index.shtmlhttp://www.vray.com/vray_for_rhino/gallery/index.shtml

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Beschleunigungsstruktur Gut fr statische Szenen Neuberechnung hinderlich fr bewegende Szenen Eigenes Forschungsgebiet Momentane Vorstorichtung: Hierarchie-Bume (BVH) 20.9.201219 / 35

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Diffuses Raytracing Etablierte Methode fr weiche Schatten Bentigt 10-20 Rays pro Pixel Keine Forschung 20.9.201220 / 35

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Hardwaretransition 1/3 Vernderte Grafikpipeline notwendig 20.9.2012 Quelle: http://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=15051http://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=15051 21 / 35

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Hardwaretransition 2/3 GPU vs CPU - Rennen GPU Shader mssen verwaltbarer werden (mehr Flexibilitt) Dualpurpose-Pipeline (Raytracing, Zentralprojektion) Sinnvoller in der Umsetzung (Aufwand der Grafik -> GPU als Grafikeinheit des PCs) CPU mehr Cores notwendig Cores fr Grafik oder Cores fr Gameloop? 20.9.201222 / 35

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Hardwaretransition 3/3 Intel, AMD/ATI, Nvidia arbeiten bereits daran Paradigmenwechsel schon bei Programmierung(OpenRT) ohne Massenmarkt zu verlieren! -> Industriestandard notwendig 20.9.201223 / 35

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Kosten - Nutzen Rechenmehraufwand Umstellung Hardware (Herstellerseite) Umstellung neue Schnittstelle (OpenRT o..) Umstellungsperiode (Untersttzung bei Kunden garantieren) Viel weniger Programmieraufwand Fokus auf andere Gebiete mglich Realistische Darstellung (keine Approximationen mehr) Zukunftsfhige Lsung 20.9.201224 / 35

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4. Zukunft Quelle: http://www.templates.com/blog/rush-energy-3d-car-concepts/http://www.templates.com/blog/rush-energy-3d-car-concepts/

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Allgemein Hinweise - Papers 20.9.201226 / 35 Realtime ray tracing can become a viable alternative graphics technology if it can be offered within a single desktop computer Jrg 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]

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Allgemein Hinweise - Industrie Intel, AMD/ATI, Nvidia arbeiten bereits an Raytracing- Untersttzung Radiosity in Zentralprojektion als Vorbote von Raytracing 20.9.201227 / 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]

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Maximal sinnvolle Auflsung Auge: 120 MegaPixel (Stbchen) -> z.B. 15000 x 8000 Pixel Bildschirm Raytracing: 120 MP x 20 rays @ 60 fps = 144 Giga Rays/s Spezifikation: WHUXGA = 7680 x 4800 P = 36MP 20.9.201228 / 35

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Moores Law Gordon Moore 1965 / Intel Alle 2 Jahre -> Verdopplung der Transistorzahl 20.9.2012 Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetzhttp://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetz 29 / 35

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Moores Law in Raytracing 20.9.2012 Quelle: eigene Erstellung 30 / 35

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Fazit 1 Raytracing ist die langfristig sinnvolle Alternative gegenber Zentralprojektion Zentralprojektion bleibt als Approximation immer gnstiger, aber SW-Hersteller (Spielemarkt) mssen sich zunehmend mit unntiger Programmierung konfrontieren (-> Druck auf Wechsel) Spezielle HW wird sich etablieren (Cell-hnlich) und so Leistung voll ausschpfen. 2025 erreicht diese HW laut Moores Law die Reife fr Augen-Auflsung (120MP). 20.9.201231 / 35

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Fazit 2 Schnelle Beschleunigungsstruktur-Updates sind lsbar (insb. mit schnellerer HW) -> 2025 wahrscheinlicher Umstieg auf Raytracing (eher frher wegen Realismus-Programmieraufwand durch Hersteller) 20.9.201232 / 35

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Weiterfhrende Information fr Interessierte Prsentation verfgbar unter Website Prof. Sturm http://tamdhu.uni-trier.de/Asysob/ http://tamdhu.uni-trier.de/Asysob/ Exploring the Use of Ray Tracing for Future Games 2006 - Heiko Friedrich et al OptiX: A General Purpose Ray Tracing Engine Steven Parker et al 2010 - Nvidia Ray Tracing Deformable Scenes Using Dynamic Bounding Volume Hierarchies 2007 - Ingo Wald et al SIGGRAPH 28.11.2012 20.9.201233 / 35

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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 20.9.201234 / 35

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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] - www.pcper.com/reviews/editorial/John- 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 20.9.201235 / 35