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.