{"id":26578,"date":"2021-01-03T17:32:43","date_gmt":"2021-01-03T23:32:43","guid":{"rendered":"https:\/\/goldenti.com\/site\/?p=26578"},"modified":"2021-01-03T17:32:46","modified_gmt":"2021-01-03T23:32:46","slug":"asi-aceleraran-aun-mas-el-ray-tracing-las-futuras-gpus-de-amd-y-nvidia","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/goldenti.com\/site\/asi-aceleraran-aun-mas-el-ray-tracing-las-futuras-gpus-de-amd-y-nvidia\/","title":{"rendered":"As\u00ed acelerar\u00e1n a\u00fan m\u00e1s el Ray Tracing las futuras GPUs de AMD y NVIDIA"},"content":{"rendered":"\n
\"Ray<\/figure>\n\n\n\n

El Ray Tracing se ha convertido sin duda en el futuro del renderizado a tiempo real, especialmente cuando la rasterizaci\u00f3n no puede solventar ciertos problemas visuales y no da m\u00e1s de si. Pero su implementaci\u00f3n no esta siendo f\u00e1cil y es que el rendimiento no es el ideal incluso con las GPUs m\u00e1s avanzadas. Es aqu\u00ed donde entra el siguiente paso, el Ray Tracing Coherente. \u00bfQu\u00e9 aporta, por qu\u00e9 es necesario y en que consiste?<\/p>\n\n\n\n

El Ray Tracing utilizado en los juegos actualmente es lo que llamamos renderizado h\u00edbrido en el que la parte coherente de la escena es renderizada haciendo uso del algoritmo de rasterizaci\u00f3n y la parte incoherente de la escena es renderizada a trav\u00e9s del trazado de rayos, por lo que pese a lo que dicen el marketing de los diferentes compa\u00f1\u00edas la era en la que los juegos se renderizan puramente a trav\u00e9s del trazado de rayos no ha llegado.<\/p>\n\n\n\n

\"Direct<\/figure><\/div>\n\n\n\n

Para hacer m\u00e1s comprensible esta afirmaci\u00f3n digamos que primero se renderiza la escena utilizando la rasterizaci\u00f3n ignorando por completo la iluminaci\u00f3n indirecta, la cual es producida cuando una fuente de luz incide sobre un objeto y este refleja la luz en nuevas direcciones.<\/p>\n\n\n\n

\"Control<\/figure><\/div>\n\n\n\n

El Ray Tracing renderiza de manera m\u00e1s precisa, r\u00e1pida y eficiente los elementos incoherentes de la escena que la rasterizaci\u00f3n, pero existe un problema de rendimiento relacionado a la hora de renderizar la parte incoherente de la escena que hace que el coste computacional sea muy alto a la hora de aplicar el trazado de rayos y ese es precisamente el pr\u00f3ximo gran reto de empresas como NVIDIA y AMD, optimizar el rendimiento de la parte incoherente de la escena en el Ray Tracing.<\/p>\n\n\n\n

Ray Tracing coherente y Ray Tracing no coherente<\/h2>\n\n\n\n
\"Coherent<\/figure><\/div>\n\n\n\n

Dejemos por el momento de lado el renderizado h\u00edbrido que se utiliza en los juegos y centremos nuestra atenci\u00f3n en el Ray Tracing puro, donde se pueden calificar los rayos de dos maneras distintas.<\/p>\n\n\n\n

  • En el Ray Tracing puro se consideran rayos coherentes<\/strong> los que salen de la c\u00e1mara y siguen la trayectoria del view frustum de la escena, estos rayos son llamados coherentes pero no se utilizan en el renderizado h\u00edbrido.<\/li>
  • Los rayos incoherentes<\/strong> son aquellos que se producen producto del impacto de un rayo de luz sobre un objeto.<\/li>
  • Son rayos coherentes<\/strong> aquellos que salen de una fuente de luz primaria, es decir que no han sido generados por el impacto de un rayo anterior sobre el objeto.<\/li><\/ul>\n\n\n\n

    A nivel visual si hablamos solo de iluminaci\u00f3n directa no hay diferencia en calidad visual en renderizar una escena solo con iluminaci\u00f3n directa entre la rasterizaci\u00f3n y el trazado de rayos, sumadle esto a que todos los motores de juego funcionan v\u00eda rasterizado y entender\u00e9is el motivo por el cual no se utiliza el ray tracing a la hora de renderizar la parte coherente de la escena.<\/p>\n\n\n\n

    El rendimiento de la parte no coherente del Ray Tracing en una GPU<\/h3>\n\n\n\n

    El problema es que, pese a que el trazado de rayos es mucho mejor a la hora de renderizar la parte incoherente de una escena que la rasterizaci\u00f3n, existe el problema que los rayos incoherentes tienen un rendimiento mucho menor que calculando los rayos coherentes de la escena.<\/p>\n\n\n\n

    El motivo de esta disparidad en el rendimiento es debido a que no toda la informaci\u00f3n de la escena no se encuentra en la cach\u00e9 de la GPU, que es a lo que acceden las unidades de intersecci\u00f3n de rayos, con los rayos no coherentes estos no impactan sobre la misma zona de la escena y por tanto no afectan al mismo shader, lo que provoca paradas en una cantidad enorme de hilos en la GPU, provocando caidas de rendimiento en picado.<\/p>\n\n\n\n

    \"Pixar<\/figure><\/div>\n\n\n\n

    Este es un problema que en la industria del cine solucionan a trav\u00e9s de de algoritmos de reordenaci\u00f3n de los rayos, pero lo pueden hacer f\u00e1cilmente porque conocen de antemano la posici\u00f3n de la c\u00e1mara y por tanto pueden convertir todos los rayos incoherentes de la escena en rayos coherentes a trav\u00e9s de un algoritmo de ordenaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

    Pero a la hora de renderizar una pel\u00edcula tienen todo el tiempo del mundo, no tienen que mostrar una imagen cada pocos milisegundos y los algoritmos de ordenaci\u00f3n son m\u00e1s bien para ahorrar tiempo y con ello el coste de sus potentes granjas de renderizado, pero, la situaci\u00f3n en los videojuegos es distinta.<\/p>\n\n\n\n

    \"Cyberpunk<\/figure><\/div>\n\n\n\n

    Pero en un videojuego donde cada fotograma es \u00fanico no se puede hacer, es m\u00e1s, se necesitar\u00eda un hardware altamente potente para que ordenar los rayos de la escena no afectase la alta tasa de fotogramas de la misma, por lo que es ahora mismo el pr\u00f3ximo gran reto a solventar por los fabricantes de GPUs y es un elemento crucial si se quiere que el Ray Tracing no se quede estancado en cuanto a rendimiento.<\/p>\n\n\n\n

    Las GPUs actuales no est\u00e1n ideadas para Ray Tracing no Coherente<\/h3>\n\n\n\n
    \"VRAM\"<\/figure><\/div>\n\n\n\n

    Los procesadores gr\u00e1ficos que utilizamos en nuestros PCs se dise\u00f1aron para la rasterizaci\u00f3n, la cual es un algoritmo de renderizado que explota que se beneficia muy bien de la localizaci\u00f3n espacial y temporal de los accesos de memoria.<\/p>\n\n\n\n

    La mayor\u00eda de trabajos que tiene que realizar la GPU durante la rasterizaci\u00f3n tienen la particularidad que a la hora de aplicar un programa shader, especialmente durante el P\u00edxel Shader, que los datos de los p\u00edxeles y tri\u00e1ngulos que este procesando se comparten con sus vecinos m\u00e1s cercanos en la escena.<\/p>\n\n\n\n

    As\u00ed que hay una gran cantidad de posibilidades que si la GPU accede a los datos para un grupo de tri\u00e1ngulos y p\u00edxeles y los recoge todos los que son cercanos en memoria hacia las cach\u00e9s entonces ya tendr\u00e1 los datos de los p\u00edxeles y tri\u00e1ngulos colindantes. Por lo que los cambios han de ir de cara a explotar esa caracter\u00edstica com\u00fan de todas las GPUs.<\/p>\n\n\n\n

    La estructura de datos espacial<\/h3>\n\n\n\n
    \"Estucturas<\/figure><\/div>\n\n\n\n

    Con tal de acelerar el Ray Tracing lo que se hace es construir una estructura de datos espacial, dicha estructura no es m\u00e1s que el mapa de la posici\u00f3n de los objetos de la escena de manera ordenada.<\/p>\n\n\n\n

    La escena es convertida en una especie de cubo con varias sub-divisiones que indican donde est\u00e1n los objetos, de las que hay dos tipos:<\/p>\n\n\n\n

    • La escena es dividida en bloques regulares por el espacio.<\/li>
    • La escena es dividida en aquellas partes donde hay geometr\u00eda o elementos.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
      \"BVH\"<\/figure>\n\n\n\n
      \"BVHTree\"<\/figure>\n\n\n\n
      \"BVH\"<\/figure>\n\n\n\n
      \"BVHTree\"<\/figure>\n\n\n\n

      En juegos se ha optado por los del segundo tipo al adoptar los BVH, especialmente por el hecho que NVIDIA tiene hardware dedicado en sus GPUs para recorrer r\u00e1pidamente esta estructura de datos en \u00e1rbol, pero, existen dos tipos de BVH:<\/p>\n\n\n\n

      • Los BVH est\u00e1ticos necesitan re-construirse de nuevo despu\u00e9s de que hayamos modificado cualquier objeto de la escena, sin embargo una vez han sido construidos aceleran el tiempo de renderizado de la escena.<\/li>
      • Los BVH din\u00e1micos permiten que los objetos se actualicen individualmente, de tal manera que a la hora de reconstruir el BVH el tiempo a la hora de hacerlo sea mucho m\u00e1s bajo, pero a cambio aumenta el tiempo de renderizado posterior.<\/li><\/ul>\n\n\n\n

        \u00bfY que importancia tiene? Si queremos ordenar los rayos seg\u00fan su trayectoria en la escena primero necesitamos poder tener un mapa de la misma escena que nos permita almacenar la trayectoria de los rayos.<\/p>\n\n\n\n

        Mapeando la trayectoria de los rayos<\/h3>\n\n\n\n
        \"Ray<\/figure><\/div>\n\n\n\n

        Una soluci\u00f3n es hacer que los rayos pre-recorran la escena sin modificarla, solo para conocer que objetos van a afectar los diferentes rayos y cuales son los rayos que van a recorrer la escena. Una vez terminado el pre-recorrido se almacenan en un b\u00fafer de memoria los diferentes rayos que afectan a una parte de la escena en concreto aunque no tengan relaci\u00f3n entre si.<\/p>\n\n\n\n

        Pese a que no hay relaci\u00f3n directa entre los diferentes rayos de un mismo lugar si que hay relaci\u00f3n espacial, lo que ayuda a explotar la arquitectura com\u00fan de todas las GPUs a la hora de renderizar una escena con rayos no-coherentes. La idea es pre-renderizar la escena pero sin calcular los shaders que var\u00eden los valores de color de los diferentes objetos a la hora de renderizar la escena, simplemente nos interesa conocer por cuales partes de la escena incidir\u00e1 cada uno de los rayos.<\/p>\n\n\n\n

        Rayos pre-recorriendo la escena<\/h3>\n\n\n\n
        \"Rayus<\/figure><\/div>\n\n\n\n

        Los rayos que pre-recorran la escena solo van ejecutar un shader, el Ray Generation Shader, el cual indica que ese objeto de la escena tiene la capacidad de generar un rayo de luz indirecto, en cuanto a los rayos mismos estos tienen consigo una serie de par\u00e1metros para evitar que reboten eternamente como pelotas de ping pong por toda la escena.<\/p>\n\n\n\n

        Para ello es necesario colocar una serie de par\u00e1metros asociados a los rayos y los objetos que ser\u00edan los siguientes:<\/p>\n\n\n\n

        • Una constante que es el n\u00famero de rebotes que puede hacer un rayo en la escena, una vez realizado esta cantidad de rebotes independientemente de cuales sean las otras condiciones dicho rayo deja de rebotar.<\/li>
        • Una constante en cada material que es la constante de refracci\u00f3n, el cual va de 0 a 1, con cada intersecci\u00f3n el valor de energ\u00eda del rayo se multiplica por la constante de refracci\u00f3n, cuando un rayo llega a un nivel de energ\u00eda lo suficientemente bajo se descarta.<\/li><\/ul>\n\n\n\n
          \"Ray<\/figure><\/div>\n\n\n\n

          Con esto ya podemos hacer que los rayos reboten por la escena de manera preliminar, lo que ayuda a ordenar los datos, ya que con esto podemos saber en que partes de la escena incidir\u00e1n los diferentes rayos. Lo cual acelerar\u00e1 enormemente el rendimiento, pero para ello es necesario realizar dos cambios en el hardware.<\/p>\n\n\n\n

          Memoria embebida para almacenar la estructura de datos espacial<\/h3>\n\n\n\n
          \"3DIC<\/figure><\/div>\n\n\n\n

          Lo que nos queda ahora es poder almacenar la estructura de datos espacial al completo en una memoria lo m\u00e1s cercana posible al procesador, as\u00ed como los datos de pre-recorrido, pero dicha estructura de datos no la podemos almacenar en las limitadas cach\u00e9s de pocos Megabytes, tampoco la Infinity Cach\u00e9 pese a sus 128 MB ser\u00eda capaz de almacenar semejante cantidad de datos.<\/p>\n\n\n\n

          Lo que se necesita es encontrar la forma de colocar la mayor cantidad de memoria posible cercana a la GPU, la cual sirva para almacenar la estructura de datos espacial al completo, dicha memoria no ser\u00eda una cach\u00e9 y no formar\u00eda parte de la jerarqu\u00eda de memoria del procesador, simplemente servir\u00eda para almacenar la estructura de datos espacial en su interior al completo.<\/p>\n\n\n\n

          Una manera manera de conseguirlo ser\u00eda utilizar memoria SRAM conectada verticalmente a la GPU, pero la implementaci\u00f3n de esta memoria podr\u00eda llegar con algunos a\u00f1adidos adicionales aprovechando su futura implementaci\u00f3n en las GPUs. Aunque hay otras formas de hacerlo, incluso puede que lo hagan en forma de una nueva cache de \u00faltimo nivel de gran densidad.<\/p>\n\n\n\n

          Las pr\u00f3ximas unidades de funci\u00f3n fija<\/h3>\n\n\n\n
          \"GPU<\/figure><\/div>\n\n\n\n

          Van a ser dos, las cuales van a ser cruciales de cara a aumentar el rendimiento:<\/p>\n\n\n\n

          • La primera de ellas ser\u00e1 la encargada de generar la estructura de datos espacial a trav\u00e9s de la posici\u00f3n de la geometr\u00eda en la escena.<\/li>
          • La segunda lo que har\u00e1 ser\u00e1 tomar nota de a donde incide cada rayo durante el recorrido previo a aplicar el Ray Tracing.<\/li><\/ul>\n\n\n\n

            Ambas unidades se van a aprovechar de la enorme memoria embebida que van a incluir las GPUs para almacenar la estructura de datos espacial de la escena. Gracias a ellas veremos un gran aumento en el rendimiento en lo que Ray Tracing de refiere<\/p>\n\n\n\n

            \"PowerVR<\/figure><\/div>\n\n\n\n

            Estas unidades ya se encuentran en soluciones de hardware como el PowerVR de Wizard en forma de de Scene Hierarchy Generator y Coherency Engine, su utilidad ha sido m\u00e1s que demostrada pero no en entornos sumamente complejos en los que ser\u00e1 necesario la implementaci\u00f3n de una memoria embebida.<\/p>\n\n\n\n

            Fuente: <\/strong>hardzone.es\/tutoriales\/rendimiento\/ray-tracing-coherente\/<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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