カテゴリー別アーカイブ: Computer Graphics

Syysgraph 2018のEA SEED の発表 Modern Graphics Abstractions & Real-Time Ray Tracingのスライド

Syysgraph 2018のModern Graphics Abstractions & Real-Time Ray Tracingスライドが公開になっています.

Modern Graphics Abstractions & Real-Time Ray Tracing
https://www.ea.com/seed/news/syysgraph-2018-modern-graphics-abstractions-real-time-ray-tracing

今年のHalcyonの発表は色々とありましたが,集大成的な発表になっています.

  • Vulkan版対応の話
  • Render Graphの話
  • マルチGPUでのGPUの仮想化
  • Machine Learning対応
  • アセットパイプライン
  • シェーダ
    • マルチプラットフォーム対応
    • Wave / Subgroup対応
  • レイトレーシング
  • ハイブリッドレンダリング
  • Transparent Shadow
  • Transparency & Translucency
  • GI
  • デノイズ

WHLSL : Web向け高級シェーダ言語

ブラウザ向け3Dは現在WebGLが使われていますが,WebKitやMozillaやGoogleなど様々な次世代APIが検討されています.

そこで使うシェーダ言語の1つとしてHLSLをベースにしたWHLSLの開発が進んでいますが,その詳細を解説した記事があります

Web High Level Shading Language
https://webkit.org/blog/8482/web-high-level-shading-language/

WHLSLに関しては,SIGGRAPH 2018のBoFのHLSL Realtime Shading Languageで知りました.BoFの説明ではW3Cというのがありますね.

SIGGRAPH 2018のBoFリスト
https://s2018.siggraph.org/conference/conference-overview/birds-of-a-feather/

さて,今回は,WebKitの話ですが,WebKitではAppleを中心にWebGPUというAPIが提案され現在開発が進んでいます.

WebGLはOpenGLをベースにしていましたが,WebGPUはMetal, Direct3D12, VulkanなどのAPIの設計をWebに持ってくるようなイメージですね.

AppleはWebGPUの実装をMetalベースで提案していましたが,他のOS環境に関してはDirect3D12やVulkanでの実装を行ってよいようでした.シェーダ言語に関しては,Metal Shadering Laungage(MSL)で提案していましたが,今回の記事を見ているとMSLはなくなったように思えます.

プロポーザル
https://webkit.org/wp-content/uploads/webgpu-api-proposal.html#shadinglanguage

今回の記事では,HLSLの構文を参考にしたWHLSLが説明されています.HLSLを参考にしているのはシェーダプログラマの人口が多いというところになりそうです(MSLやGLSLやSPIR-Vなど採用されなかったものについては記事に書いてあります).

ここで注意しないといけないのがWHLSLはHLSLと単語が共通ですが,HLSLの仕様がまるまる採用されておらず,言語仕様的には別な言語になっているようですね.Web High Level Shading Launguageということです.

ベクトル型や組み込み関数などは共通するようですが,HLSLでサポートする仕様とはいくつかの点が違いますがそれを挙げていきます(順不同.これが全部ではないです).

  • Cスタイルの暗黙の型変換はサポートしない
    • エラーの原因.Swiftなどと近いアプローチ
  • enumのサポート
    • 実行時のコストがかからず便利だから
  • 構造体
    • HLSLやCと一緒
    • 継承,virtual,アクセス制御,privateはサポートしない
  • プリプロセッサはサポートしない
    • 理由:プリプロセッサでシェーダのバリエーションを増やす手法はHLSLでは使われるが保守性が悪い
  • セーフポインタ
    • 既存のCPUコードの移植しやすさを考えて
      • 機械学習やComputer Vision,信号処理の人たちがコードをもっていきやすいように
  • 配列の参照
  • プロパティ
  • プリプロセッサの未サポート
    • HLSLでは1つのシェーダコードのバリエーションを増やすために使われるが保守性の悪さ
    • シェーダ読み出しの仕組みが違うのではサポートしない
    • 代わりにSPIR-Vのspecialization constantsにあたるものがある
  • セマンティクスのサポート
    • シェーダステージ間をやりとりするためにHLSLと同じくある
      • ただし,グローバル変数ではなく関数のパラメータ入力と出力の形式になる

だいぶ作業が進んでるなという印象ではありますが,ブラウザ上での実装はセキュリティの問題など配慮すべきことが多いためまだまだ時間がかかりそうではありますが,WebGLよりもよりパフォーマンスを引き出せるものというのを期待したいところですね.

メッシュ最適化ライブラリmeshoptimizer v0.9がリリース

meshoptimizer v0.9がリリースになったようですね.

v0.9のリリースノート
https://github.com/zeux/meshoptimizer/releases/tag/v0.9

meshoptimizerって何?という方は以前下記の記事を書きましたが,基本機能は現在も同じなので参考になると思います.

オープンソースのメッシュ最適化ライブラリmeshoptimizerとメッシュ最適化の話題
http://www.shader.jp/?p=2279

今回,個人的に興味深いのはNew algorithmsの記述ですね.

  • Introduce an experimental algorithm, meshopt_buildMeshlets, that can create meshlet data from index buffer that can be used to efficiently drive the mesh shading pipeline in NVidia RTX GPUs
  • Introduce experimental algorithms, meshopt_computeClusterBounds and meshopt_computeMeshletBounds, that can compute bounding sphere and bounding normal cone for use in GPU cluster culling.
  • Introduce an experimental algorithm, meshopt_generateShadowIndexBuffer, that can generate a second index buffer that shares the vertex data with the original index buffer, but is more efficient when a subset of vertex attributes is needed.

meshoptimizerはDirect3D9時代ぐらいからある最適化に加えて新しい最適化やメッシュ圧縮手法が加わっていますが,今回はexperimental algorithmということで実験的な機能だそうですが,かなり先端的な手法の取り込みがきていますね.上から

  • GeForce RTXシリーズのMesh Shader向けのmeshletをindex bufferから作成する機能
  • GPU cluster cullingのための
  • Shadow描画用のIndex Bufferの作成

となります.GPUのジオメトリ機能の進歩で最適化の在り方も変わってきそうなところが見えてきますね.

なお,今回の機能についてはMesh Shaderの理解が必要になりますが,NVIDIAの記事が参考になります.

Introduction to Turing Mesh Shaders
https://devblogs.nvidia.com/introduction-turing-mesh-shaders/

TuringアーキテクチャのGPUの新機能のOpenGL/Vulkan拡張の記事

NVIDIAのCyril Crassin氏がTuringアーキテクチャのGPUの新機能のOpenGLとVulkan拡張をまとめた記事を書いています.

NVIDIA Turing Vulkan/OpenGL extensions
https://blog.icare3d.org/2018/09/nvidia-turing-vulkanopengl-extensions.html

今回OpenGLとVulkanの拡張として公開されているのは以下の機能です.以前の記事で公開された新機能以外のものも入っています.

  • Ray-Tracing Acceleration
  • Mesh Shading
  • Variable Rate Shading
  • Exclusive Scissor Test
  • Texture Access Footprint
  • Derivatives in Compute Shader
  • Barycentric Coordinates and manual attributes interpolation
  • Ptex Hardware Acceleration
  • Representative Fragment Test
  • Multi-View Rendering

NVIDIAのMesh Shaderの紹介記事

NVIDIAの開発者向けblogでTuringで加わる新機能の”Mesh Shader”の紹介記事が掲載されています.

Introduction to Turing Mesh Shaders
https://devblogs.nvidia.com/introduction-turing-mesh-shaders/

この機能は,OpenGL, Vulkan, Direct3D12からは拡張機能として使用できるようになるようですね.記事ではGLSL環境での使い方が解説されていますのでグラフィックスAPIでの標準化の前から使用できることになりそうですね.

無料で読めるレイトレーシングの電子書籍の話題

SIGGRAPH 2018はリアルタイムレイトレーシングが話題になりましたが,いくつかの電子書籍が無料で読めるようになっていますので紹介していきます.

Peter Shirley氏のレイトレーシング入門電子書籍がSIGGRAPH 2018やTuring発表のタイミングで無料公開されています.

公開されているのは以下の3冊平易な文章とC++で書けるようになっています.まずは1から書いてみたいという人には良いと思います.

  • Ray Tracing in One Weekend
  • Ray Tracing: the Next Week
  • Ray Tracing: The Rest Of Your Life

https://drive.google.com/drive/folders/14yayBb9XiL16lmuhbYhhvea8mKUUK77W

サンプルのリポジトリ
https://github.com/petershirley

もう1つは,Real-Time Rendering, Fourth Editionの中で収録が間に合わなかったため電子版で公開されるReal-Time Ray Tracingの章です.”Real-Time”がつくこともあり,こちらはGPUレイトレーシングで使わる手法や用語の解説がありますので,OptiXやDXRの使用者などがAPIの中で動いている理論を知るのによいと思います.

書籍全体の情報ページ
http://www.realtimerendering.com/

無料公開のReal-Time Ray Tracingの章
http://www.realtimerendering.com/Real-Time_Rendering_4th-Real-Time_Ray_Tracing.pdf

IntelのCheckerboardレンダリングの記事

IntelのサイトでCheckerboardレンダリングの記事とサンプルが公開されています.SIGGRAPHでもセッションがありました.

Checkerboard Rendering for Real-Time Upscaling on Intel Integrated Graphics, v. 12
https://software.intel.com/en-us/articles/checkerboard-rendering-for-real-time-upscaling-on-intel-integrated-graphics-v-12

サンプルリポジトリ
https://github.com/GameTechDev/DynamicCheckerboardRendering

Direct3D12向けの実装解説で,先行するSonyのPS4 Proで提案されている手法,Rainbow Six Siege,Decima engine,Frostbiteの手法などについても言及されておりPC上で実装が公開されたものとしてはまとまった資料になっていますので実装を学ぶには良いと思います.

Real-Time Rendering 第4版の書籍情報ページが更新

Real-Time Rendering 第4版の書籍情報のページが更新されています.

http://www.realtimerendering.com/

今回の表紙はGDC 2018で発表されたリアルタイムレイトレーシングのデモで使われたスターウォーズのシーンが表紙のようですね.

書籍の目次が公開されていますが,内容が多いので収録が見送られたCollision Detectionと2018年3月に発表されたことで紙に間に合わなかったReal-Time Ray Tracingの章は無料でオンライン上で公開されるようです.

Coarse Pixel Shading with Temporal Supersampling組み込みメモ

はじめに

IntelがI3D 2018で発表した”Coarse Pixel Shading with Temporal Supersampling”(CPS-T)はCheckerboard Renderingに代わる手法になるか気になりまして読んでみました.

Coarse Pixel Shading with Temporal Supersampling
https://software.intel.com/en-us/articles/coarse-pixel-shading-with-temporal-supersampling

この手法は,Checkerboard Renderingと比較して以下のような利点があるとのこですのでその辺見ていきます.

  • Checkerboard Renderingより組み込みが楽
  • Checkerboard Renderingより品質が高い
  • Checkerboard Renderingより速度が速くなるケースがある

手法について

サイトで公開されているデモはMicrosoftのMiniEngineのTemporalBlendCS.hlslを置き換えるような形のものになっています.そのためTemporal Anti-Aliasing(TAA)を実装している環境であれば置き換えが楽にできるようですね.Convert_TAA_to_TS.pdfという移行ドキュメントがデモに入っています.

この手法は,Intelが2011年に発表した”Coarse Pixel Shading”(CPS)の考え方をベースにしていますが,CPSをハードウェアに実装したGPUは現在のところ無いのでいくつか現在のGPUのシェーダで代替できるような回避がされています.

Coarse Pixel Shading
https://software.intel.com/en-us/articles/coarse-pixel-shading

CPS-Tでは,GPU機能のCPSが使えない代わりに1/4の解像度にシェーディングして,前のフレームのレンダリング結果を利用して解像度を復元します.

この復元の手法はTAAに影響を受けてTemporal Supersamplingという手法が生み出されています.このTemporal SupersamplingはTAAのように前のフレームや動きがあるところはMotion Vectorなどを使用しますが,そのほかに低解像度から高解像度化する際の可視性をうる方法としてdecoupled samplingを使用しているということのようですね.

Decoupled sampling for graphics pipelines
http://people.csail.mit.edu/jrk/decoupledsampling/

パフォーマンスについて

論文の中のTable 1と2を見てみます.

Table 1では3つの背景データをライト数変えた結果でBistro(光源は太陽光の1ライトのみ), Sponza(128ライト), San Miguel(128ライト)となります.

Tableの1番左の項目は以下のようなものになります.

  • PS…すべてのピクセルをそのままシェーディングする
  • CBR…Checkerboard Rendering
  • CPS-T…今回の手法

レンダリングの中のZ-prepass, Lighting, Temp-Resolv(PSではTAAの速度)の速度やPS Invoc.(Pixel Shader Invocation.Pixel Shaderの実行回数)などが提示されています.Frame Totalがレンダリングの合計時間です.

Table 1を見て分かることはライトがSunlightのみの状況ではPSが一番速いという結果になっています.逆にライト数が128個のシーンではCPS-Tが勝っています.速度差が大きく出ているのはLightingの個所ですね.なぜ速度差が出るかというとPS Invoc.がCPS-Tが少ないという点にあります.

PS Invoc.が少ない理由としてレンダリングの解像度が1/4になっている点ですね.これによってライトが増えてPixel Shaderの中でライティング計算が増えますが,PSの呼び出し回数が少ないことが効いて速度差がでているわけですね.


Table 1

Table 2はシーンを1つのものに固定してライト数を32~512に変えて比較しています.ライトの数が増えるとごと速度差が出てきます.


Table 2

この結果をみたところPS Invocationの数が少ないことで,1つのシェーダの複雑度が高いケースで速度的なアドバンテージがあることがわかります.

CPS-TはCBRよりもライティングの計算にかかる部分を減らすことで速度を稼ぐというところがポイントになると思います.逆にPSがシンプルであれば速度的なアドバンテージはないとも言えます.

制限

Temporalな手法なので,新たなシーンでは品質の高い絵が出るまで数フレームかかることと動きのあるシーンでは,状況によってはゴーストがでるようなことはあるようですね.サンプルではあまり動的物が少ないので動きのあるものはそれぞれ検証された方がよさそうですね.

おわりに

制限の部分が気になりますが,組み込み自体はTAAを利用しているタイトルでは組み込みは楽かもしれません.CPSに影響を受けていますが,シェーディング自体は1/4でやるだけなのでCPSではなかったりしてTemporal Supersamplingが新しい発明といえるかもしれません.

パフォーマンスのところで書きましたが,速度差がでない環境というのがあるのでモバイルやGPUパワーが弱くシェーダが単純なものの速度を稼ぐには使えないと思います.

しかし,コンソールやPCのハイエンド機などでは面白い手法かもしれないのでTAAをすでに実装しているような環境やCBRの環境では一度載せ替えを試してみるのはいいかもしれませんね.

弱点もありますが,この手法の使いやすさから採用してくるタイトルが今後出てくるかや弱点の改善をした手法などが出てくるかが気になるところですね.