Aktuelle Grafikleistungen

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Anton Lorentz
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1 Aktuelle Grafikleistungen Alexander Hötzendorfer Universität Ulm 03. Juli 2007

2 Inhalt Übersicht Aktuelle Techniken HDR-Lighting Tessellation Aufbau der Rendering-Pipeline Shader Vertex-Shader Geometry-Shader Pixel-Shader Unified-Shader ATIs R600 & nvidias G80 Stream-Processing-Units Latenzminimierung durch Thread-Aufschub (Dynamic Branching) Hierarchical-Z + Re-Z MSAA und Tent-Filter bzw. CSAA Ausblick Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

3 HDR-Lighting Wiedergabe verschiedener Helligkeitsbereiche Objektivere Darstellung Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

HDR-Lighting Erstmals 1985, als RGBE genutzt Menschliches Auge: Kontrastverhältnis bis zu 1.000.000 : 1 Sichtbares Lichtspektrum benötigt Werte von 10 4 bis 10 8 Höherer Speicherbedarf (32-bit bzw.

4 HDR-Lighting Erstmals 1985, als RGBE genutzt Menschliches Auge: Kontrastverhältnis bis zu : 1 Sichtbares Lichtspektrum benötigt Werte von 10 4 bis 10 8 Höherer Speicherbedarf (32-bit bzw. 16-bit floating-point numbers) Tone-Mapping: L = L 1+L Verwendung realer physikalischer Einheiten Shader-Model 4.0: 128-bit HDR-Rendering HalfLife, FarCry, Oblivion 8 Bit pro Farbe + 8 Bit für Exponent Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

5 HDR-Lighting Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

Tessellation Erstmals im Xenos-Chip der Xbox 360 eingesetzt Unterteilung des Bildes in kleinere Abschnitte Zerteilung eines Polygons in mehrere Polygone (der

6 Tessellation Erstmals im Xenos-Chip der Xbox 360 eingesetzt Unterteilung des Bildes in kleinere Abschnitte Zerteilung eines Polygons in mehrere Polygone (der gleichen Form) Ermöglicht effizientere Berechnung von High-Polygon-Modellen Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

Tessellation Bis zu 15 mal pro Objekt aufrufbar Variabler LOD für eine Szene Bearbeitung einzelner Teilbereiche von Polygonen möglich Direkte Übergabe an den

7 Tessellation Bis zu 15 mal pro Objekt aufrufbar Variabler LOD für eine Szene Bearbeitung einzelner Teilbereiche von Polygonen möglich Direkte Übergabe an den Vertex-Shader Entlastet Geometry-Shader Normalerweise vor dem Vertex-Shader implementiert Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

8 Aufbau der Rendering-Pipeline Input Assembler Vertex Shader Geometry Shader Video Memory Buffer, Texture, Constant Buffer Rasterizer Pixel Shader Output Merger Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

Vertex-Shader Veränderung der Vertices eines Objekts Kein Hinzufügen oder Entfernen von Knoten Ersetzt das unflexiblere Transform & Lighting Können auch durch Software ausgeführt

9 Vertex-Shader Veränderung der Vertices eines Objekts Kein Hinzufügen oder Entfernen von Knoten Ersetzt das unflexiblere Transform & Lighting Können auch durch Software ausgeführt werden Meist mehrere Shader-Einheiten verbaut Terraindeformation, Wasserwellen, Fischaugenoptik Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

10 Geometry-Shader Vergleichsweise neuer Bestandteil in der Rendering-Pipeline Folgt unmittelbar nach dem Vertex-Shader Erstellt aus bereits vorhandenen Primitiven Neue Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

Pixel-Shader Hardwaregebunden Ablösung der fixed function pipeline Gezieltere Beeinflussung einzelner Fragmente (Z-Buffer, Farbe) Teils CPU-Berechnungen mit Pixel-Shadern schneller

11 Pixel-Shader Hardwaregebunden Ablösung der fixed function pipeline Gezieltere Beeinflussung einzelner Fragmente (Z-Buffer, Farbe) Teils CPU-Berechnungen mit Pixel-Shadern schneller möglich Programmiersprachen: Assembler, Cg, GLSL Spiegelungen, Schattierungen, Lens Flare, HDR-Rendering Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

12 Pixel-Shader / This shader implements a p o i n t l i g h t per p i x e l using the d i f f u s e, specular, and ambient terms acoording to Mathematics of L i g h t h i n g as found i n the book OpenGL Programming Guide ( aka the Red Book ) / varying vec4 d i f f u s e, ambientglobal, ambient ; varying vec3 normal, l i g h t D i r, halfvector ; varying f l o a t d i s t ; void main ( ) { vec3 n, halfv, viewv, l d i r ; f l o a t NdotL, NdotHV ; vec4 c o l o r = ambientglobal ; f l o a t a t t ; / a fragment shader can t write a varying variable, hence we need a new v a r i a b l e to s t o r e the normalized i n t e r p o l a t e d normal / n = normalize ( normal ) ; / compute the dot product between normal and L i g h t D i r e c t i o n / NdotL = max( dot ( n, normalize ( l i g h t D i r ) ), 0. 0 ) ; i f ( NdotL > 0.0) { att = 1.0 / ( gl LightSource [ 0 ]. constantattenuation + gl LightSource [ 0 ]. linearattenuation dist + gl LightSource [ 0 ]. quadraticattenuation dist dist ) ; c o l or += a t t ( d i f f u s e NdotL + ambient ) ; halfv = normalize ( halfvector ) ; NdotHV = max( dot ( n, halfv ), 0. 0 ) ; color += a t t gl FrontMaterial. specular gl LightSource [ 0 ]. specular pow (NdotHV, gl FrontMaterial. shininess ) ; } gl FragColor = color ; } Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

13 Pixel-Shader Fixed Function Pixel-Shader Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

14 Unified-Shader Keine Unterteilung in einzelne Shader mehr Bessere Programmierbarkeit Vermeidung von Flaschenhälsen bzw. Leerlaufphasen Auch Physikberechnungen möglich Geometry Vertex Floating Point Processor Physics Pixel Rasterizer Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

15 Stream-Processing-Units Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

16 Stream-Processing-Units SIMD-Prinzip: 5 Shader-Einheiten zur parallelen Berechnung 5 Anweisungen pro Takt Eine Einheit für mathematische Operationen Aufteilung der SPUs flexibel möglich Durch Branch Execution Unit keine Blockaden bei Branches Entspricht 4 vertikal arbeitenden Skalarprozessoren Branch Execution Unit General Purpose Registers Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

17 Dynamic Branching Eingeführt mit Shader Modell 3.0 Ermöglicht bedingte Shader-Ausführung Shader können übersprungen oder ganz abgebrochen werden Zu starker Gebrauch bringt Geschwindigkeitseinbußen Gilt für kleine Bereiche (16 64 Pixel) hohe Effizienz Zum Teil deutliche Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Vertex- und Pixel-Shader Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

18 Hierarchical-Z + Re-Z Schrittweise Verfeinerung (8x8, 4x4,...) Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

19 Hierarchical-Z + Re-Z Größerer Durchsatz pro ROP (Raster Operation Processor) Z-Kompression von 16:1 (128:1 bei 8x MSAA) Fast Z Clear (kein Bandbreitenverlust) Höhere Auflösungen als 2560x1600 möglich Schnellere Stencil-Schatten Re-Z Doppeltes Durchlaufen Erster Durchlauf vor dem Pixelshader Zweiter Durchlauf nach den Shader-Berechnungen Input Assembler Vertex Shader Geometry Shader Video Memory Buffer, Texture, Constant Buffer Rasterizer Pixel Shader Output Merger Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

20 MSAA und Tent-Filter bzw. CSAA Mittlerweile bis zu 24x Anti-Aliasing Custom Filter Anti-Aliasing: Ähnlich dem Quincunx-Verfahren von nvidia Benachbarte Pixel werden mitgenutzt (Tent Filter) Zunehmender Blur-Effekt (12x, 16x, 24x CFAA) 8x MSAA 12x CFAA + Narrow Tent 16x CFAA + Wide Tent Zusätzlich noch Edge Detect Filter möglich Im Gegensatz zu CSAA auch bei Stencil-Schatten anwendbar 8x und 16x CSAA ähnlich schnell wie 4x MSAA Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

Ausblick Raytracing in Spielen Reduzierung der CPU-Takte eines Lichtstrahls Einsatz von FPGAs Volumetrische Lichteffekte berechenbar Tessellation-Einheit als Standard

21 Ausblick Raytracing in Spielen Reduzierung der CPU-Takte eines Lichtstrahls Einsatz von FPGAs Volumetrische Lichteffekte berechenbar Tessellation-Einheit als Standard HD-Decoding ganz auf der GPU Grafikkarten-Cluster als Supercomputer (nvidias Tesla) Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

22 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Quellenangaben Folie 1: Folie 4: Folie 6: Folie 7: Folie 9: Folie 11: archive.html Folie 12: Folie 13: Folie 15: Folie 17: Folie 18: Folie 20: Folie 21: m.jpg Zu den ebenfalls aus dem Internet geladenen Grafiken der Folien 3, 5 und 10 waren die Adressen im Nachhinein leider nicht wieder auffindbar Alexander Hötzendorfer (Universität Ulm) Aktuelle Grafikleistungen 03. Juli / 22

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