CG 論文講読会 2013/5/20 "Clustered deferred and forward shading"

CG 論文講読会 2013/5/20 "Clustered deferred and forward shading"

• 1.
  Ola Olsson Markus Billeter UlfAssarsson Chalmers University ofTechnology 1 CG 論文講読会 2013 / 5 / 20 Ryo Suzuki HPG 2012
• 2.
   類似するプロパティを持つ viewsample を Cluster にグループ化してシェーディング  Tiled Shading より効率的に光源を割り当て、ラ イティングのコストを大幅に削減  Tiled Shading が苦手とする深度が不連続で高周 波なシーンに強い  従来手法より 2 - 3 桁大きい数の光源（最大 100万個）がリアルタイムで可能 2
• 3.
   近年 TiledShading への注目が高まっている  Tiled Deferred Shading は PC /PS3 / Xbox360 で実装されている  演算コストと引き換えに、Deferred Shading の帯域幅のボトルネックを緩和する  帯域幅に比べ、大きな演算性能を持つ最新のコ ンソールやハイエンドの GPU にとって効率的 3
• 4.
   Frosbite 2Engine 4 http://www.slideshare.net/DICEStudio/spubased-deferred-shading-in-battlefield-3-for-playstation-3
• 5.
   Tiled Shadingではスクリーン空間の矩形タイル でグループを作り、各タイルの最大・最小の depth で錘台を定義して光源をカリング  互いに近い depth を持つ面のタイルは小さな Bounding Volume で表現できる 5 +Z
• 6.
   depth が不連続なタイルでは光源カリングの効 率が低下 6 +Z
• 7.
   より高次元のタイル =Cluster を導入  Cluster は最大サイズが固定されていて、 ビューに依存したワーストケースが存在しない  Deferred と Forward 両方で実装可能 7
• 8.
   Cluster を拡張して法線情報を付与し、Cluster ごとに光源の背面カリングをすることも可能 光源割り当てを階層化し、大量の光源を堅牢に サポート  リアルタイムで最大 100 万光源 8
• 9.
  Deferred Shading  1988年にハードウェアデザインとして発表さ れる  1990 年に G-buffer を使ったより汎用的な手法 が登場  ジオメトリとライティングの処理を分離し、大 量の光源の管理を単純化  ハードウェア性能が向上し、ここ数年で主流に 9
• 10.
  Tiled Shading  DeferredShading をベースに、帯域幅のボトル ネックに対処  帯域幅が狭いコンソール機での AAA タイトル 開発における重要なアルゴリズムに  GPU はメモリ帯域幅に比べて演算性能の向上が 早いため、将来世代の GPU にもうまくスケール 10
• 11.
   どのように Clusterを作るか  ある view sample がどの Cluster に属している かを調べる方法 11
• 12.
   Resolution MatchedShadow Maps (RMSM) では、 view sample がどの shadow page に属するかの 判断が必要  スクリーン空間の coherency を利用して、近 傍ピクセルの重複したリクエストを削減  残ったリクエストをソート・圧縮し、グローバ ルで unique なリクエストを構築 12
• 13.
   Compress-Sort-Decompress (CSD)では、フ レームバッファを 1D 配列と見なし、ソートの 前にランレングス圧縮で重複を削減  RMSM と CSD のどちらも、隣接した要素の coherency に依存  合理的な仮定だが coherency が低いシーンで は、フレームバッファ全体のソートと変わらな くなる 13
• 14.
   ページテーブルを使う  VirtualTextures 周辺の技術 [May10], [HPLdW10]  unique なシェーディングサンプル決定の手法 [LD12]  シーンの coherency に依存せず、重複リクエ ストを削減可能 14
• 15.
  1. シーンを G-Bufferにレンダリング 2. Cluster を割り当てる 3. 同一の Cluster を探す 4. Cluster に光源を割り当てる 5. サンプルのシェーディング 15
• 16.
   1. シーンをG-Buffer にレンダリング  従来の Deferred Shading や Tiled Deferred Shading と同じ  2. Cluster を割り当てる  各ピクセルがどのクラスタに属するかを、座標（と必 要に応じて法線）から計算  3. 同一の Cluster を探す  unique な Cluster のリストを構築 16
• 17.
   4. Clusterに光源を割り当てる  どの光源が Cluster に影響しているかを効率的に探索 し、Cluster ごとに光源リストを作成  5. サンプルのシェーディング  サンプルが属する Cluster の光源リストを使って シェーディング 17
• 18.
   理想  影響する光源が少ない、空間的に小さなCluster  効率のために Cluster 内にできるだけ多くのサンプル  Cluster Key はできるだけ少ないビット数 18
• 19.
   ワールド空間に一様なグリッドは？  ClusterKey の計算が高速、すべての Cluster が同じ サイズ  しかし  シーンに応じて適切なグリッドサイズを手作業で調整 する必要  Cluster Key の表現に大きなビット数  遠くの Cluster はスクリーン上では小さく、パフォー マンスが低下 19
• 20.
   Tiled DeferredShading と同じスクリーン空間 のタイリングに、ビュー空間の z 軸に従った分 割を加える  ワールド空間で見ると、視錘台を分割する小さ な錘台の集まりができる 20
• 21.
  Z 軸の分割方法  正規化されたデバイス座標を均等に分割？ ・・非均一 ビュー空間の座標を均等に分割？ ・・遠くの Cluster が幅広く平ら 21
• 22.
  Z 軸の分割方法  ビュー空間のz 座標を指数関数的に分割  どの Cluster もなるべく立方体になるよう相似な分割 22
• 23.
  23 Sy : スクリーンのY 方向の分割数 2θ : FOV
• 24.
   スクリーン空間の座標 (xss,yss), ビュー空間の depth (zvs) , タイルサイズ(tx,ty) , (2) 式を使っ て Cluster Key となるタプル (i,j,k) を計算  (i,j) = (xss/tx, yss/ty)  必要に応じて、量子化した法線を追加 24
• 25.
   2 つのオプション 1.ソート 2. ページテーブル 25
• 26.
  (オプション 1) ソート 各タイルでローカルにソート  並列処理で圧縮して unique なクラスタを抽出、 グローバルに unique な Cluster のリストを構築  各ピクセルに、Cluster のインデックスを保存 26
• 27.
  (オプション 2) ページテーブル Virtual Texture の手法を利用  仮想マッピングを使い、Cluster Key が必要とす るストレージに物理メモリの割り当てを行う  詳細な実装は [LSK*06] 27
• 28.
   ソート、ページテーブルどちらの手法でも、 Cluster Keyから 3D Bound (と法線情報があ れば Normal Cone) を定義できる  実際の view sample の位置や法線はより小さな bound を持つため、さらに縮小した explicit な 3D Bound や Normal Cone を計算してもよい  ただし、ページテーブルではアトミックな演算 が多く、実装しなかった 28
• 29.
   各 Clusterに影響を与える光源のリストを作成  従来の Tiled Deferrd Shading では全般的に総当 たりの実装  本手法では、大量の光源と Cluster 数の動的変 化を堅牢にサポートするためにツリーを使った 階層的なアプローチ  中心座標をもとに光源を z 軸に従ってソートし て Bounding Volume Hierarchy (BVH) を構築 29 http://www.vis.uni-stuttgart.de/~frisch/h/diss.htm
• 30.
   探索木のリーフノードはソートされたデータか ら直接取得  32個の連続したノードを AABB でグループ化 し 、1 つ上のレベルのノードを構築、単一の ルートノードが残るまで繰り返す  深さ優先でトラバース、各レベルで Cluster と 子ノードの bounding テスト  リーフノードにおいて光源の bounding sphere とテスト 30
• 31.
   Cluster に法線情報を持たせていたら、光源の 背面カリングができる ω>π/2+α+δ のときカリング 31 cone(青) : Normal Cone α : Cluster から導出、または保存されている cone(破線) : Cluster を包含する円錐 cone(赤) : cone(破線) と幾何学的に等しい δ : cone(破線) から導出
• 32.
   ソートの手法では、各ピクセルに保存した unique なCluster のインデックスを利用  ページテーブルの手法では、Cluster のイン デックスを Cluster Key の保存に使われる物理 メモリの位置に保存するので、Cluster Key か ら Cluster のインデックスを得ることができる 32
• 33.
   OpenGL とCUDA でいくつかの種類を実装  Clustered Deferred[NkX][En][Eb][Pt] ▪ Nk[X] : X×X 分割した立方体の面を使った法線情報を付加 / En : explicit な normal cone を使う / Eb : explicit な 3D AABB bound を使う / Pt : ページ テーブルを使う  Clustered Forward  Deferred ▪ ステンシルバッファによる最適化を実装、各サンプルへの光源割り当てが正 確になっている  Tiled Deferred  Tiled Deferred En ▪ normal cone を各タイルで計算  Tiled Forward 33
• 34.
   Cluster Key (i,j) : スクリーン空間でのタイル位置のオフセット  タイルサイズが 32x32 なら、最大 8192x8192 のレンダーターゲットに対応  k : depth のインデックス  normal : 法線（オプション） 6bit なら 各面 3x3 に分割した立方体をサポート 34 8 bits 8 bits 10 bits (6 bits) i j k normal
• 35.
   Cluster Key(10 – 16bit) に、タイル内でのサンプル位 置を示す meta データ (32x32 タイルでは 10bit)を付 加し、 タイル内でローカルにソート  グローバルで unique な Cluster Key の総数を求め、各 Cluster に unique ID [0 .. numClusters) をセット  unique ID を Cluster メンバーの各ピクセルに書き込む 35 8 bits 8 bits 10 bits (6 bits) 10 bits i j k normal meta
• 36.
   3D Boundと Normal Cone は Cluster Key から 再構築可能  必要に応じて、より縮小した AABB や normal cone を保存する  Explicit Bounds  Explicit Normal Cone  より高効率なカリングが可能に 36
• 37.
   2-pass アプローチ 並列 Prefix Sum を使って物理メモリを割り当 て、Cluster Key を保存  シングルパスでの物理メモリの割り当てだと遅 かった。将来のハードウェアでは高速化の余地 37
• 38.
   光源の探索木を毎フレーム構築  Thurst[HB10]による効率的なソートを使用  ツリー構築で CUDA warp (32 スレッド) を実行  出力ノードが 32 個なのでトラバースでも CUDA warp が役立つ  最大深さが 5 レベルなら、再帰が発生する CUDA の実装を回避できる  5 レベルでは最大 3300 万の光源をサポート 38
• 39.
   シーン 1: Necropolis  点光源を発射する大砲を設置  最大 2500 光源  シーンの端から端へカメラ移動  シーン 2 : Sponza  木のセットを設置  1 万のランダムな光源 39
• 40.
   シーン 1: Necropolis の各フレームのライティ ング計算回数 40
• 41.
   シーン 1: Necropolis の各フレームのレンダリ ング時間 41
• 42.
   シーン 2: Sponza のライティング計算回数  Tiled Shading はおよそ 90M 回になるのでグラフから除外 42
• 43.
   シーン 2: Sponza のレンダリング時間の内訳  Deferred (97.1ms), Tiled Forward (23.6ms) はグラフから除外 43
• 44.
   シーン 2: Sponza の光源数とレンダリング時間 44
• 45.
   Cluster やTile に光源を割り当てる時間 45
• 46.
   Clustered Shadingは位置と任意で法線を使い、 類似した view sample を Cluster にグループ 化、Cluster に影響する光源のみ計算を行う  Tiled Shading に比べ Cluster は小さく、光源の 影響は少なくなる  Cluster の法線情報を光源の背面カリングに使 用可能 46
• 47.
   ビューの状態変化に対する堅牢性が得られる  ClusteredDeferred / Clustered Forward どち らもリアルタイムで 100 万光源が可能  クラスタリングのコストは小さく、光源が少な いシーンでも従来手法に匹敵するパフォーマン ス 47
• 48.
   Cluster 内のすべてのサンプルが特定の光源か らおよそ等しく影響を受けているかをヒューリ スティックに判断し、ライティングのコストを 削減 簡単なテストでは、わずかな計算コストで最大 20 % ライティング計算を削減  微細なアーティファクト、より高品質な近似を  スペキュラのために、Cluster に平均輝度の情 報を付与？ 48
• 49.
   より複雑なシェーディングとの組み合わせ  ClusteredShading は Tiled Shading に比べて シェーディングコストが小さいので、シェーダ の複雑さの増加に強い 49
• 50.
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