Vortragsfolien

Raytracing mit
CUDA
Dorian Weber
Gliederung
• kurze Einführung in CUDA
• Funktionsweise einer traditionellen
Grafikengine (z.B. OpenGL, Direct3D)
• Design- und Architekturentscheidungen
• Implementation
• Demonstration
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CUDA
• „Compute Unified Device Architecture“
von NVIDIA
• nutzt die Grafikkarte als parallelen CoProzessor
• Architektur ist stark auf grafische
Berechnungen optimiert
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Architektur
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CUDA Schnittstellen
• Application Programming Interface kommt
in zwei Geschmacksrichtungen
• Drivers API (low level)
• Runtime API (high level)
• APIs schließen sich gegenseitig aus
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Drivers API
Vorteile
• Null Overhead
• Host-Code unabhängig
vom NVCC
• dynamische
Kernelverwaltung
• keine CUDA Runtime
Library nötig
Nachteile
• low level, imperativ
• kein Emulationsmodus
• Compilierung von
Host- und Devicecode
getrennt
• explizite
Modulverwaltung
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Runtime API
Vorteile
• high level, imperativ
• automatisches Laden
benötigter Module
• Funktionssetup und
implizites Typecasting
• Emulationsbibliothek
• Compilerintegration
Nachteile
• Vorhalten aller
potentiell benötigten
Module
• Abhängigkeit des
Devicecodes vom
Hostcompiler
• linkt CUDA Runtime
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Speicherhierarchie
„All programming can be
viewed as an exercise in
caching.“
(Terje Mathisen)
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Klassische 3D Engines
• Rendervorgang mittels Matrizen umgesetzt
• elegante und einheitliche Beschreibung aller
Transformationen
• Bewegung, Rotation, Skalierung,
Projektion, Clipping
• jede beliebige Kombination
(Matrixmultiplikation)
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Matrizen für Raytracer?
Vorteile
• einheitliche
Beschreibung
• leicht parallelisierbar
• etabliert (also viel
Hilfe verfügbar)
• intuitive Mathematik
Nachteile
• sehr groß - 4 GPURegister pro Matrix
• viele Multiplikationen
• Gimbal Lock
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(Einheits-)quaternionen
• leben auf einer 4D Hyperkugel
• ein Realteil, drei Imaginärteile
• Drehungen im Raum sehr elegant zu
beschreiben
• passen in ein GPU Register
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Rotation von vorhin
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Designentscheidungen
• Drivers API
• Quaternionen
• OpenGL Subsystem
• Phongs Lichtmodell
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Implementation (I)
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Implementation (II)
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Implementation (III)
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Details
• Objekte und Lichtquellen im Texturspeicher
• Renderstruktur im konstanten Speicher
• Rekursionsbehandlung mittels lokalem
Stack (a priori beschränkt)
• Ausnutzung der Asynchronität zwischen
GPU und CPU
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Was ist getan?
• Framework zur komfortablen Bedienung
der Drivers API - Template-basiert
• Toolset für die Steuerung des Tracers
(insbesondere mathematische Werkzeuge)
• Werkzeuge für das Gerät
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Was ist getan?
• Raytracer:
• Phong Lichtmodell
• Reflexion & Brechung (allgemein gelöst,
physikalisch korrekt)
• beliebig viele Objekte und Reflektionen
• Echtzeit
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Was fehlt?
• Objekte sitzen nicht im Texturspeicher
• nur eine (frei positionierbare) Lichtquelle
• ausschließlich Kugeln, allerdings
Vorbereitung für weitere Objekttypen
• kein Schatten
• Stack für Rekursion unnatürlich langsam
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Demo
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Vielen Dank für eure
Aufmerksamkeit!
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