В компьютерной графике, рендеринг без допущений относится к технике рендеринга, которая не вносит в расчет систематических ошибок, предположений или погрешностей. Изображение получается таким, каким должно быть в природе, а рендер не имеет настроек качества поверхностей либо источников света.


Изображение отрендерено с помощью Maxwell Render.

Как создать рендерер, который бы работал даже на компьютере вашей бабушки? Изначально перед нами стояла немного другая задача — создать unbiased рендер для всех моделей GPU: NVidia, ATI, Intel.
Хотя идея такого рендера для всех видеокарт витала в воздухе давно, до качественной реализации, тем более на Direct3D, дело не доходило. В своей работе мы пришли к весьма дикой связке и дальше расскажем, что нас к ней привело и как она работает.

После долгого перерыва продолжаем делать интересные штуки, как всегда на чистом железе без операционной системы. В этой части статьи научимся использовать весь потенциал процессоров: будем запускать программу сразу на нескольких ядрах процессора в полностью параллельном режиме. Чтобы провернуть такое, нам потребуется многое сделать для расширения функциональности программы полученной в части 3.

Просто так выполнять какие-то вычисления на ядрах процессора – скучно, поэтому нужна задача, которая требует больших вычислительных ресурсов, хорошо раскладывается на параллельные вычисления, да и выглядит прикольно. Предлагаем сделать программу, которая рендерит простенькую 3D-сцену, используя алгоритм обратной трассировки лучей, или, по-простому, Ray Tracing.

Начнем с самого начала: наша цель параллельные вычисления на всех ядрах процессора. Все современные процессоры для PC, да и ARM уже тоже (я молчу про GPU) – это многоядерные процессоры. Что же это означает? Это означает, что вместо одного вычислительного ядра у процессора на одном компьютере присутствует несколько ядер. В общем случае, все выглядит несколько сложнее: на компьютере может быть установлено несколько сокетов (чипов процессора), в рамках каждого чипа (в рамках одного кристалла) может находиться сразу несколько физических ядер, а в рамках каждого физического ядра может находиться несколько логических ядер (например, те, что возникают при использовании технологии Hyper Threading). Все это схематично представлено на рисунке ниже, и называется топологией.

Имея опыт разработки на одном из высокоуровневых языков программирования, а также интерес к задачам из различных областей информатики, я наконец нашел возможность овладеть еще одним инструментом — языком программирования С. Исходя из собственного опыта — знания лучше усваиваются, если применять их для решения практических задач. Поэтому, было решено реализовать с нуля Ray tracing рендер (поскольку увлекаюсь компьютерной графикой ещё со школьных времен).

В данной статье хочу поделиться собственным подходом и полученными результатами.

Недавно мы создали небольшое облако для решения наших внутренних задач и хотим поделиться этим опытом с читателями Хабра. Здесь мы подробно опишем, какое оборудование было выбрано для развёртывания облака и как создать инфраструктуру облачной системы, опираясь на XenServer от компании Citrix. В этом продукте Citrix решила отказаться от стандартного подхода, когда у облака есть некоторый центральный управляющий узел, они разбили его на несколько составляющих и предложили их тоже поместить в облако. Кому интересно, как это всё работает — добро пожаловать под кат!



В нашей статье мы остановимся на таких моментах, как: подготовка аппаратной части, установка XenServer, установка лицензии, создание виртуальной сетевой инфраструктуры, опишем проблемы, возникшие с виртуальными машинами на ОС Ubuntu, расскажем про динамическую балансировку нагрузки, про настройки и разграничение доступа к облаку, и, разумеется, покажем, что у нас получилось.

Доступна для загрузки новая версия разработанных в Intel ядер трассировки лучей (ray tracing) Embree 2.1. Embree предназначена для разработчиков графических приложений, желающих увеличить производительность своих программ с помощью ядер от Intel, которые оптимизированы для рендеринга изображений фотографического качества на новейших процессорах Intel с поддержкой SSE, AVX, AVX2 и векторных инструкций Xeon Phi. Для достижения максимальной производительности рекомендуется задействовать Embree посредством API. Embree представляет собой ПО с открытым кодом и распространяется под лицензией Apache 2.0.

На КДПВ — рендеринг автомобильной блок-фары с использованием Embree, автор — Martin Lubich.

Эта статья разделена на две основные части, Трассировка лучей и Растеризация, в которых рассматриваются два основных способа получения красивых изображений из данных. В главе Общие концепции представлены некоторые базовые понятия, необходимые для понимания этих двух частей.

В этой работе мы сосредоточимся не на скорости, а на чётком объяснении концепций. Код примеров написан наиболее понятным образом, который не обязательно является самым эффективным для реализации алгоритмов. Есть множество способов реализации, я выбрал тот, который проще всего понять.

«Конечным результатом» этой работы будут два завершённых, полностью рабочих рендереров: трассировщик лучей и растеризатор. Хотя в них используются очень отличающиеся подходы, при рендеринге простой сцены они дают схожие результаты:

Сегодня стартовала GDC 2018, и первый серьезный анонс на ней сделала Microsoft совместно со своими партнерами.

В графическое API DirectX 12 будет добавлена новая важная функциональная часть — DirectX Raytracing (DXR). Под этим названием скрывается новое стандартное API для трассировки лучей под DirectX с поддержкой аппаратного и программного ускорения.

Как известно, трассировка лучей (ray tracing) долгое время считалась слабо применимой в приложениях реального времени (например, в играх) технологией в силу низкой практической производительности. Если обычный растровый рендер переводит 3D-сцену в 2D-изображение, применяя различные шейдеры и слои для эмуляции освещения, то в случае трассировки лучей (ray tracing) происходит моделирование взаимодействия отдельных лучей с поверхностями и отслеживается обратная траектория распространения луча, вследствие чего моделируются все связанные с лучами отражения и т.д. (bounces, refractions, reflections). Что ж, видимо, время наконец-то настало.


В свою очередь, NVIDIA анонсировала технологию RTX для трассировки лучей на графических процессорах Volta и выше, которая будет полностью поддерживаться DXR (подразумеваем, что в таком случае вся функциональность RTX доступна в виде графического API).

Самое главное: всё это уже можно пощупать — ссылки на скачивание пакета экспериментального SDK доступна внизу поста, примеры идут в комплекте. Вам потребуется участие в Windows Insider Program и билд Windows 10 Redstone 4 (RS4).

Для трассировки лучей (ray tracing) настали удивительные времена. Компания NVIDIA реализует ускоренное с помощью ИИ шумоподавление, Microsoft объявляет о нативной поддержке в DirectX 12, а Питер Ширли продаёт свои книги по свободной цене (pay what you want). Похоже, что трассировка лучей наконец получила шанс быть принятой при дворе. Возможно, говорить о начале революции ещё слишком рано, но уже определённо стоит начать изучать и накапливать знания в этой области.

В этой статье мы напишем с нуля в Unity очень простой трассировщик лучей с помощью compute shaders. Скрипты мы будем писать на C#, а шейдеры — на HLSL. Весь код выложен на Bitbucket.

В результате у нас получится отрендерить нечто подобное:

После появления прошлым летом графических карт Nvidia RTX трассировка лучей (ray tracing) снова обрела былую популярность. За последние несколько месяцев мою ленту в Twitter заполнил бесконечный поток сравнений графики со включенным и отключенным RTX.

Полюбовавшись на такое количество красивых изображений, я захотел самостоятельно попробовать скомбинировать классический упреждающий рендерер (forward renderer) с трассировщиком лучей.

Страдая синдромом неприятия чужих разработок, я в результате создал собственный гибридный движок рендеринга на основе WebGL1. Поиграть с демо рендеринга уровня из Wolfenstein 3D со сферами (которые я использовал из-за трассировки лучей) можно здесь.

[Первая и вторая части.]


Сегодня мы совершим большой скачок. Мы отойдём от исключительно сферических конструкций и бесконечной плоскости, которые трассировали ранее, и добавим треугольники — всю суть современной компьютерной графики, элемент, из которого состоят все виртуальные миры. Если вы хотите продолжить с того, чем мы закончили в прошлый раз, то воспользуйтесь кодом из части 2. Готовый код того, что мы будем делать сегодня, выложен здесь. Давайте приступим!

Треугольники

Треугольник — это всего лишь список трёх соединённых вершин, каждая из которых хранит свою позицию, а иногда и нормаль. Порядок обхода вершин с вашей точки обзора определяет, на что мы смотрим — на переднюю или заднюю грань треугольника. Традиционно «передом» считается порядок обхода против часовой стрелки.

Во-первых, нам нужно иметь возможность определять, пересекает ли луч треугольник, и если да, то в какой точке. Очень популярный (но совершенно точно не единственный) алгоритм для определения пересечений луча с треугольником был предложен в 1997 году джентльменами Томасом Акенин-Меллером и Беном Трембором. Подробно о нём можно прочитать в их статье «Fast, Minimum Storage Ray-Triangle Intersection» здесь.

Недавно я участвовал соревнованиях демосцены Revision 2019 в категории «PC 4k intro», и моё интро выиграло первое место. Я занимался кодингом и графикой, а dixan сочинял музыку. Основное правило соревнования — необходимо создать исполняемый файл или веб-сайт, имеющий размер всего 4096 байта. Это означает, что всё приходится генерировать с помощью математики и алгоритмов; никаким другим способом не получится ужать изображения, видео и аудио в такой крошечный объём памяти. В этой статье я расскажу о конвейере рендеринга своего интро Newton Protocol. Ниже можно посмотреть готовый результат, или нажать сюда, чтобы посмотреть как оно выглядело вживую на Revision, или зайти на pouet, чтобы прокомментировать и скачать участвовавшее в конкурсе интро. О работах конкурентов и об исправлениях можно прочитать здесь.

Часть 1: обработка вершин

В этой статье мы подробнее рассмотрим то, что происходит с 3D-миром после завершения обработки всех его вершин. Нам снова придётся стряхнуть пыль с учебников по математике, освоиться в геометрии пирамид усечения и решить загадку перспектив. Также мы ненадолго погрузимся в физику трассировки лучей, освещения и материалов.

Главная тема этой статьи — важный этап рендеринга, на котором трёхмерный мир точек, отрезков и треугольников становится двухмерной сеткой разноцветных блоков. Очень часто этот процесс кажется незаметным, потому что преобразование из 3D в 2D оказывается невидимым, в отличие от процесса, описанного в предыдущей статье, где мы сразу же могли увидеть влияние вершинных шейдеров и тесселяции. Если вы пока не готовы к этому, то можете начать с нашей статьи 3D Game Rendering 101.

Подготовка к двум измерениям

Подавляющее большинство читателей читают этот веб-сайт на совершенно плоском мониторе или экране смартфона; но даже если у вас есть современная техника — изогнутый монитор, то отображаемая им картинка тоже состоит из плоской сетки разноцветных пикселей. Тем не менее, когда вы играете в новую Call of Mario: Deathduty Battleyard, изображения кажутся трёхмерными. Объекты движутся по сцене, становятся больше или меньше, приближаясь и отдаляясь от камеры.

Сегодня, когда всё популярнее становится трассировка лучей (ray tracing) выполняемая из «глаза» камеры, этот урок нужно усвоить заново: код становится лучше, а жизнь — проще, если центр пикселя находится в координате (0,5; 0.5). Если вы уверены, что делаете всё правильно, то продолжайте в том же духе, для вас в статье нет ничего нового. Прочитайте лучше вот это.

Смысл размещения центра пикселя в (0,5; 0,5) впервые объяснила (по крайней мере, мне) милая короткая статья Пола Хекберта «Что такое координаты пикселя?» из книги 1990 года Graphics Gems, стр. 246-248.

Сегодня эту статью найти трудновато, поэтому вкратце изложу её суть. Допустим, у нас есть экран с шириной и высотой 1000. Давайте рассмотрим только ось X. Может возникнуть искушение назначить 0,0 центром самого левого пикселя в строке, 1,0 — центром следующего, и так далее. Можно даже использовать округление, при котором координаты с плавающей запятой 73,6 и 74,4 переносятся в центр 74,0.

Однако над этим стоит поразмыслить. При таком сопоставлении левый край будет находиться в координате -0,5, а правый — в 999,5. С такой системой неудобно работать. Хуже того, если к значениям координат пикселей применяются различные операторы наподобие abs() или mod(), то такое сопоставление может привести к незначительным погрешностям на краях.

Проще работать с интервалом от 0,0 до 1000,0, в котором центр каждого пикселя имеет дробную часть 0,5. Например, тогда целочисленный пиксель 43 будет иметь красивый интервал значений значений входящих в него субпикселей от 43,0 до 43,99999. Вот чертёж из статьи Пола:

Как программисту получить самую известную и престижную кинопремию «Оскар»? Ударным трудом (по клавишам) заработать денег; пойти учиться на актёра, режиссера, оператора и так далее по списку номинаций Американской киноакадемии; и, наконец, поучаствовать в создании фильма, соответствующего новым правилам премии. Но есть и более короткий путь — достаточно просто хорошо поработать над проектом оптимизированной библиотеки ядер трассировки лучей Intel Embree, который в феврале 2021 года получил «Оскар» в номинации «Научные и технические достижения для киноиндустрии». Под катом — рассказ про этот оскароносный проект Intel.

Введение

На мой взгляд, рейкастинг — великолепная концепция, понять которую не так сложно, но качественных ресурсов по ней очень мало. Я расскажу о математике, лежащей в её основе, чтобы вы при желании с лёгкостью могли реализовать её в своих будущих проектах. Постараюсь сделать объяснение как можно более понятным, рассказать о всех тонкостях и проблемах, с которыми вы можете столкнуться. Также мы поговорим об оптимизации и о том, как сильно вам могут помочь пространственные хэш-карты. Ещё я напишу простые интерактивные примеры, с которыми вы сможете поэкспериментировать. Учтите, что демо написаны максимально простым образом, не ожидайте увидеть в них код уровня энтерпрайза — мы изучаем саму концепцию, а не реализацию.