GPUオープンソースフォトリアリズム：サイクルレンダリング

GPGPUテクノロジーの開発により、iRay、V-ray RT、Octane、Arionなど、多くのGPUレンダリングが市場に登場しました。 しかし、オープンソースコミュニティは警戒しており、私に知られている少なくとも2つのGPUフリーレンダリングが登場しました。SmallLuxGPUとCycles Renderです。 後者の印象を共有したいと思います。

Cycles Render-GPU（CUDAおよびOpenCL for ATI）でレンダリングする機能を備えた公平なレンダリング 。 Windows、Linux、OSXで動作するBlenderのボックス内にあります。


手続き型テクスチャー車のCycles Render FullHDは 、 GTX580で 2分で完了しました。

Blenderは、私が知っているいくつかの利点（オープン性、インストーラーの容易さ、作業速度）にもかかわらず、私にはほとんど興味がありませんでした。 保守的なものを3D maxからBlenderに移行することは非常に困難です。別の管理者、「そうではありません！」 しかし、特にGPU上でのレンダリングエイリアスのトピックを有効にして、Cyclesを試して、新しいBlender（この記事の公開時点でバージョン2.63）を学ぶことにしました。

対話性とその仕組みについての短いビデオ：

Cyclesを使用したレンダリングモードは、アクティブビューポートで直接実行できます（これは革新ではなく、単に便利です）。または、カメラからリアルタイムでシーンの変化を監視できます。

CPU対GPU
x86-64アーキテクチャプロセッサのコアには、大きなクリスタル領域を必要とする非常にかさばる命令セットがあります。 このため、CPUに多くのコアを配置することは困難ですが、シングルスレッドアプリケーションでは、x86が最善を尽くします。
しかし、レンダリングは不名誉なことにマルチスレッド化されています。 ここでの主なことは、高速の浮動小数点演算であり、大量のデータを扱うには適切なメモリ帯域幅が必要です。 GPUはこれらの目的にははるかに優れています。
しかし、GPUは、ハードウェアラスタライズ（OpenGL、DirectX）のために元々強化されていたプラットフォームとして、GPGPUタスクに適応することは非常に困難です。 CPUで簡単に解決できる多くのソフトウェアソリューションでは、CUDAやOpenCLなどのフレームワークを介して、GPUでタンバリンを使用してかなりのダンスを行う必要があります。 多くの場合、アルゴリズムの実装の複雑さとフレームワーク（OpenCLなど）の最適化が不十分なため、GPUプログラミングは拒否されます。
数学演算（レンダリング、物理学の計算）には、少数の命令セット、多数のコア、および浮動小数点数の高速加算と乗算のためのハードウェアソリューションのセットを備えた新しいプロセッサアーキテクチャが必要です。 または、GPUがハードウェアとソフトウェアで非グラフィックコンピューティングのニーズによりよく適応するまで待ちます。
しかし、そのようなアーキテクチャの欠如と、すべてが「クール」になるまで待つことを望まないため、世界中の開発者はすでにGPUをマスターしています。 もちろん、GPUでレンダリングすると、レンダリング速度が数倍向上します。

ハードウェアを試すことができる小さなベンチマークがあります。
レンダリング時間（コアi5 2500対GTX580）。
Windows 7 64ビット：CPU 5:39：64 CUDA 0:42：54 8.07回。
Ubuntu 12.04 64ビット：CPU 3: 48 ：77、CUDA 0:39：03 5.84回。
最新のトップエンドRadeonでのレンダリング速度について知ることは興味深いでしょう。

興味深い事実は、UnixのCPUでのレンダリング速度がWindowsよりも優れていることです。 私のWindowsの生活が悪いと思わないように、証拠を掘り下げました。1回目（4番目のメッセージ）と2回目（英語）です。 それが何に関係しているのか-私は推測したくありません、私は知りません。
UPD：すでに知っています、 Lockalのコメントに感謝します。

GPUの分離は、ハードウェアと手続き型テクスチャの複雑さにも依存します。 複雑な手続き型テクスチャでは、GPUの分離がわずかに減少します。 それらといえば。

手続き型テクスチャ
目的のマテリアルを作成するには、グラフノードを使用してシェーダーを構築するスキルが必要です。 私は例を使用してそれがどのように機能するかを説明しようとします：

どこ（後方に行くほど明確になるように思えた） ：
1.終了します。 マテリアル出力は、表面に関数を出力するために必要です。
2.シェーダーは、パラメーター（3）に従って、ペイントのコンポーネント（4）と光沢（5）を混合します。
3.光沢のある表面の反射係数（反射係数は入射角に依存し、接線方向よりも表面に対する垂直方向の反射が少ない）
4.シェーダーは、シェーダー6と7を等しい割合で混合します（Fac = 0.5）。
5.鏡面反射（塗装面）。
6、7。拡散および光沢（粗さ0.35）のコンポーネントペイント。
8.カラーコンバーター。 色相入力では、テクスチャ（9）のfacパラメータは0〜1です。出力では、光は赤からオフセットされます。
9.ランダムカラーセルジェネレーター（r、g、b）。ここで、facは強度（0〜1）です。

仕事の原則を習得したら、少し遊ぶことができます：

任意のテクスチャと表面タイプを組み合わせることができます。 FullHDがあります 。

負の光度の光源を作成できます。

ライト、アンチライト。

表面だけでなく、環境（空、雲など）もプロシージャルにすることができます。 また、ノードの助けを借りて、画像の後処理を構成することもできます。

あいまいさ
まあ、最初はこの質問は私には理解できませんでしたが、その後、何が起こっているのかがわかりました。 ここで、私が理解しているように、問題はパフォーマンスと利便性の間にあり、これはすべてのGPUフレーズに当てはまります（Arion RenderとすべてのCPUフレーズはこの機能で罪を犯しません）。
鏡面反射と光沢反射には光沢のあるマテリアルがあり、拡散反射には拡散マテリアルがあります。
ここにあります。 散乱がない場合、ビームの入射点でのランダム偏差の値は0であり、ビームは鏡面反射します。 1（最大）の場合-ビームは反射半球の任意の方向に反射できます。 つまり、鏡を使って最大の粗さを与えると、白い紙になります。 少なくとも、マックスウェルを使って慣れています。

粗い光沢がどういうわけかそれほど良くないことが判明し、信じられないほどの拡散と呼ぶことができない場合、それは拡散です。

半透明シェーダーについても同じことが言えます。 半透明は不透明な媒体として変換されますが、レンダリングでは拡散屈折を意味します。 つまり、半透明、つや消しガラス（マットラフネスのガラスシェーダー）です。

これらの写真から、半透明は普通に見えると言えます。

GlossyとGlassの粗さが1に近い（視覚的には0.7より大きい）場合は、拡散と半透明を使用することをお勧めします。

シェーダーのプロパティに関する詳細情報はこちらです。

これらの質問は、現実的な画像を取得するための基本的なものではありませんが、それでも慣れている人のために、より一般化されたもっともらしい反射モデルを追加したいと思います。
例：Maxwell、Fry、Indigo、Luxで行われるように、任意の1つのパラメーターで表面粗さを設定し、追加のスライダーとチェックマークを使用して反射分布の機能を設定します。 そして最も過酷な場合-ベジェ曲線を使用して反射の分布を制御します。 さあ、パフォーマンスを犠牲にして。

さらに、サイクルはそのような機能を使用して罪をレンダリングします。 シーンに複数の光源がある場合（2など）、光源の強度に関係なく、カメラから放射されたビームが大きな光源で反射される確率は小さな光源よりも大きくなります。 シーン内でソフトライトとハードライトを組み合わせると、このように見える場合があり（左側）、ノイズが通過するまで待機するのに長い時間がかかります。

左の写真は、前面の光源が「ノイズ」であるのに対し、背面の光源は気分が良いことを示しています。

最初に思い浮かぶのは、後処理で2つのレンダリングを組み合わせることです。
ただし、人々がそれほど苦しむことがないように、Cyclesには「ランプとしてサンプリング」という機能があります。これはデフォルトで有効になっています。 チェックを外すと、カメラから放出された光線の一部は、光源の方向ではなく、ランダムな方向にオブジェクトから反射されます（純粋なパストレース）。 この場合、小さな光源が勝ち、大きな光源が少し失われます。 これは一時的な解決策であり、遅かれ早かれプログラムは完了し、この問題の解決策を講じることになると思います。

一般に、ルートトレーサーで最も困難なタスクは、画像全体に計算負荷を正しく分散させることです：どの光源に最も注意を払うか、どのピクセルが多くのサンプルを必要としますか？どの方向にビームを反射した方が良いかなど 今のところとてもきついです。

オレンジvsトマト
たぶん、サイクルとマックスウェルの比較について考える人もいるでしょう。 しかし、新しいオープンソースレンダラーは成長し、古い同志と同等である必要があります。
したがって、解像度は400x300、時間は10秒です。

とにかく、マックスウェルはもっと生き生きしているように見える。

Maxwellはランプなどのサンプルのような表面パラメーターを設定しませんでした。アルゴリズムはすべての負荷分散を処理します。
Cyclesのコースティクスからの強いノイズ（および必要に応じてコースティクスをオフにすることができます）は、Metropolis Sampling（Maxwell Renderが持つビーム最適化アルゴリズム）を持たないという事実によって説明されます。

環境または1つの大きな光源からの光を使用する場合、Cyclesの画像はMaxwellの画像よりも明らかにきれいであることに注意してください。

5秒間レンダリングされました。


そしてもう少し深刻です（コアi5、1分）。

Bvh
バウンディングボリューム階層-バウンディングボリュームの階層として変換します（このパートでの啓発に感謝します）。
正直なところ、異なるレンダリングでは、「プリテンダーの準備」のプロセスは、オクタンでメッシュをコンパイルし、マックスウェルでボクセル化するという異なる方法で呼ばれます。 私は、マックスウェルで働いている多くの人と同じように、このビジネスボクセル化と呼んでいましたが、上記の同志は、これは同じものではないと言います。 この不正確さはご容赦ください。
このケースは、シーン内のすべての三角形との交差点ですべてのレイをチェックしないように考案されました。 そして、それらが何百万人いる場合は？ すべての交差点をチェックする必要があります。 この場合、1秒あたり数サンプルを超える速度は見られません。 そして、それぞれの新しい三角形で、タスクはより複雑になります。
欠点は、BVHの構築が常にCPUのサイクルで行われることです。 いつか、GPUでのボクセル化が現れるかもしれませんが、これまでのところそうではありません。 たとえば、シーンには1000万個の三角形があり、8つのトップエンドビデオカードがあります。 彼らは数秒で写真をレンダリングしますが、オブジェクトのボクセル化時間は、クールなCore i7でも1分で超えることができます。 コアi7のみを使用する場合、ボクセル化に約1分、レンダリングに20〜30分かかります。 この場合、ボクセル化時間は重要ではありません。
上記の自動車（400kの三角形）のボクセル化には14秒かかります。

インタラクティブな視覚化（プレビュー）では、ボクセル化はレンダリングの開始前にのみ実行され、オブジェクトのジオメトリ（頂点の位置、修飾子の使用）が変更されます。 また、Ctrlキーを押しながらZキーを押すと（そのようなことをしなくても、おそらくまだしていません）。 オブジェクトのナビゲーション、スケーリング、位置の変更、回転の際にBVHを構築する必要はありません。

レンダリングするとき（つまり、最後にF12ボタンを押して）、ボクセル化が常に実行されます。 アニメーション化するときに、BVHをキャッシュするチェックボックスをクリックすると、BVH静的オブジェクトの継続的な再構築を回避できます。
ボクセル化プロセスを加速するために、この問題がすぐに何らかの形で解決され、おそらくこのタスクをGPUに転送できることを願っています。

Opencl
私のNvidiaでOpenCLを混乱させ、速度はCUDAの2倍です。 Ubuntuでは、OpenCLブレンダーがクラッシュするだけです。 Win7では、OpenCLを使用してレンダリングしますが、マテリアルが複数のレイヤーで構成されている場合、たとえば光沢やマットコンポーネントなど、そのうちの1つだけが表示されます。 また、ビューポートのバグは単純に似ています。
Radeonでは、そのようなバグはないようです。コメントが表示される可能性があります。

インターフェースブレーキ
CPUでのレンダリング中にWebをサーフィンするのが難しくない場合は、全負荷でGPUを読むのが便利です（Habrなど）。 さらに、ページのめくりを最小限に抑えて、ブレーキに負担がかからないようにすることをお勧めします。
GPUのタスクの優先度を変更する方法はいくつかありますが、それらについては知りません。

とても興味があるなら
今すぐ開始できます。 これを行うには、 Blenderをダウンロードして、自分でCyclesを実行します。 GPUを選択するには、[ファイル]-> [ユーザー設定]で、上部の[システム]タブを選択し、左下でレンダリング用のプラットフォームを選択できます（CPUはデフォルトでインストールされます）。

主観的意見
現在、Cyclesはすでに視覚化に十分です。
被写体の視覚化に使用すると良いと思います。サイクルに基づいて、独自のBunkspeed Shot、Hypershot、Keyshot、Autodesk Showcaseを作成できます。 そのため、3Dエディターの知恵に専念していない人でも、モデルをダウンロードして、美しいレンダリングであらゆる側面から賞賛することができます。
開発者の熱意は、オープンソースコミュニティ全体の活動と同様に、喜ぶしかありません。
プロジェクトのさらなる発展を楽しみにしています。