Recursive Tile-based architecture

Автор: Mobile Developer

Данная статья вводит понятие Recursive Tile-Based Architecture (RTBA), расширяющее возможности традиционной tile-based архитектуры. Предложенный подход позволяет работать с аппаратно-ускоренным тайловым растеризатором в терминах когерентного рейтрейсинга, каждый тайл рассматривается, как средство обработки пучка лучей.

Для таких эффектов, как отражения, преломления и тени, данная архитектура позволяет уменьшить bandwidth, исключить или уменьшить работу со временными текстурами, не тратить время на обработку невидимых эффектов (заслонённых более близкими объектами), сделать рендеринг вторичных эффектов гибче — увеличив их количество и качество, упростить разработку риалтаймовых рендереров за счёт упрощения кода. RTBA сохраняет обратную совместимость с классической техникой растеризации и другими методами риалтайм графики.

В первую очередь, RTBA ориентирован на решение ряда проблем риалтаймовой 3D графики на мобильных платформах. Реализация данной архитектуры возможна на уровне драйверов современных GPU реализующих TBA.

Введение
Tile-based architecture (TBA)
  Рекурсивная растеризация в TBA
    Primitive Provider
    Re-rasterization of a tile
Пайплайн рендеринга RTBA
  Акселерационная структура
  Pipeline Binding Table
  Local Tile Memory Management
Заключение
Список литературы

Введение

Одна из ключевых проблем, с которыми сталкиваются разработчики риалтаймовых 3Д приложений, это повышение эффективности вычислений транспорта фотонов в сцене. Это особенно серьёзная проблема для мобильных устройств из-за их ограничений производительности и энергопотребления.

Для расчёта транспорта фотонов используется множество техник, таких как: растеризация, path tracing, ray-marching, voxel tracing, shadow maps, beam-tracing и так далее. Каждый способ имеет свои за и против, различную точность, производительность и прочие особенности.

Растеризация — самый популярный метод. Она работает быстро и аккуратно, имеет аппаратную поддержку на большинстве целевых платформ. К сожалению, у неё есть ряд ограничений:

1. На большинстве платформ относительно высокий оверхед на запуск растеризации, что ограничивает количество подрендеров, необходимых для расчёта вторичных эффектов.

2. Растеризация происходит только в аффинном пространстве. Конечно, можно использовать clip-plane и другие техники, но этого недостаточно для ряда задач.

Решения на базе трассировки лучей не имеют таких ограничений; они притягивают внимание разработчиков своей высокой гибкостью и низким порогом входа. К сожалению, в типичных игровых сценариях, расчёте на одну точку, алгоритмы трассировки лучей в десятки и сотни раз медленнее, чем типичная растеризация, даже при наличии аппаратной оптимизации. Так же, они требуют denoising, которая тоже неэффективна для мобильных платформ из-за большого bandwidth. Двойная неэффективность этого метода не даст использовать рейтрейсинг в массовых 3Д приложениях на мобильных платформах в обозримом будущем. Альтернативные методы быстрее и позволяют реализовывать большое количество эффектов уже сейчас. Хотя альтернативные методы намного сложнее в реализации, в том числе в вопросе организации их взаимодействия – игровые движки позволяют скрыть эту сложность от разработчиков конечных продуктов.

Нужно отметить, что растеризацию можно рассматривать, как частный случай рейтрейсинга. В конечном счёте и там и там находится точное пересечение со сценой. В случае с растеризацией расчёт идёт для большого количества лучей, которые обязаны быть регулярным образом расположены во фраструме. Так же отметим, что аппаратные TBA растеризаторы оптимизированы для обработки небольших блоков фиксированного размера, например, Mali использует блоки 16х16 пикселей или лучей, в зависимости от интерпретации.

RTBA был разработан для того, чтобы раскрыть потенциал тайловых архитектур, рассматривая аппаратные ускорители растеризации маленьких блоков, как самостоятельную функцию, напоминающую когерентный рейтрейсинг.

Tile-based architecture (TBA)

Для начала рассмотрим некоторые особенности TBA.

TBA позволяет уменьшить bandwidth и снизить энергопотребление. Малые размеры рабочей части render target (тайл) позволяют разместить основные данные в кэше. Расчёты происходят с минимальной латентностью, а в основную память копируется только небольшая необходимая в дальнейшем часть данных. Например, в типичном случае работы с G-Buffer – z-buffer, нормали, идентификаторы материалов – будут присутствовать только в кэше, в виде небольших блоков фиксированного размера. Наложение прозрачных слоёв поверх, а также постобработка может произойти без обращения к основной памяти, а в конце будет скопирован только слой содержащий цвет пикселей. Некоторые вендоры даже проверяют контрольную сумму данных в тайле с контрольной суммой соответствующих данных в рендертаргете, это позволяет избежать копирования и несколько повысить энергоэффективность.

Ключевой особенностью TBA является разделение процесса растеризации на две стадии:

1. Модуль tiler распределяет отправленные на рендер треугольники (geom and vertex shaders) и render state по тайлам, где они могут быть видны. После распределения существует момент, когда в памяти GPU хранятся списки примитивов, которые нужно будет отправлять на растеризацию. Нужно отметить, что система хранения списков может быть нетривиальной, например иерархичной, для того чтобы сделать выделение памяти на список примитивов более предсказуемой.

2. После запуска растеризации GPU обходит каждый тайл и отправляет соответствующий список примитивов на растеризацию (стадия fragment). После завершения обработки списка примитивов тайла GPU копирует требуемые слои в основную память.