что такое рендер графического процессора
Процессором (CPU) или видеокартой (GPU): чем рендерить?
Рендеринг трехмерных сцен — это основополагающая современных визуальных эффектов (VFX), графического дизайна, промышленного дизайна и анимации. Когда вы работаете в одной из этих отраслей, самым важным инструментом в вашем арсенале является ваша рабочая станция. Центральный процессор (CPU) является сердцем вашей рабочей станции и выполняет множество задач, таких как работа в приложениях, загрузка драйверов и т. д. Графические процессоры (GPU), представляющие собой специализированные типы микропроцессоров, которые работают параллельно с CPU, в последнее время переживают значительный рост использования, поскольку начинают расти объемы вычислений необходимые для одной задачи. Эти задачи, интенсивно использующие процессор, могут включать:
Чтобы не усложнять эту статью или ее цель, мы будем ссылаться исключительно на сравнение возможностей CPU и GPU, используемых для обработки изображений или, в данном случае, рендеринга изображений. Надеюсь, прочитав это, вы получите лучшее и более полное представление о том, какие варианты для рендеринга могут предложить вам и вашей студии эти технологии. Поможет вам принять более обоснованное решение о том, что лучше всего подходит для ваших проектов.
Первый и наиболее очевидный фактор, который необходимо рассмотреть — это скорость. В то время как CPU имеет ограниченное количество процессорных ядер (в среднем около 24), которые делают его эффективным при последовательных вычислениях и выполнении процессов в порядке очереди, GPU состоят из меньших ядер в большем количестве, чем у среднего компьютерного процессора, это позволяет им выполнять несколько задач одновременно.
Современные графические процессоры уже расширили свои возможности вывода с момента их первого появления. В то время как центральные процессоры обычно могут последовательно обрабатывать отдельные конкретные задачи, графические процессоры предлагают превосходную пропускную способность памяти, вычислительную мощность и скорость до 100 раз быстрее для решения нескольких задач, требующих нескольких параллельных вычислений и больших кешей данных.
Часы рендеринга могут превратится в минуты и упростят процесс создания изображений при использовании GPU. Если скорость является основным приоритетом в вашем рабочем процессе, предпочтительным решением будет рендеринг на основе графического процессора (GPU).
CPU vs GPU — Качество и точность графики
Рендеринг — это трудоемкий процесс, но с качеством нельзя торопиться. Хотя для завершения рендеринга изображения могут потребоваться часы (возможно, даже дни), традиционный рендеринг на базе процессора с большей вероятностью обеспечит более высокое качество изображения и более четкое, меньше шума.
У графического процессора (GPU) намного больше ядер, чем у CPU, но в целом каждое ядро работает медленнее, чем ядро процессора. Когда несколько процессоров CPU связаны между собой и используются например, в среде рендеринга, как на ферме. Они потенциально могут дать более изысканный конечный результат, чем рендеринг на основе графического процессора. В фильмах это обычный стандарт для создания высококачественных кадров и изображений, поскольку для рендеринга нет жестких ограничений во времени.
С другой стороны, с ростом доступной виртуальной реальности игры также становятся все более захватывающими, а при максимальных настройках приходит высококачественный рендеринг изображений и обработка в реальном времени, которые могут проверить вашу рабочую станцию на прочность. Проще говоря, современные игры и VFX теперь могут быть слишком нагружающими базовый CPU.
Если вы готовы не торопиться и не ограничены сроками для получения максимально лучшего изображения, тогда рендеринг на базе CPU может быть тем, что вы ищете.
CPU vs GPU — Стоимость
По мере того, как оборудование становится более эффективным, его цена также становится важным фактором.
В дополнение к скорости, мощность одного графического процессора может быть эквивалентна как минимум пятидесяти процессорам. Это означает, что мощность одной рабочей станции может выполнять задачи нескольких рабочих станций на базе CPU вместе взятых, что дает 3d визуализаторам и студиям свободу создавать, проектировать и разрабатывать изображения с высоким разрешением. Кроме того, GPU предлагают значительное снижение затрат на оборудование и устраняют необходимость в нескольких ПК или серверах для выполнения работы профессионального качества. Теперь можно выполнять все за минуты, имея одну небольшую станцию с видеокартами.
Без необходимости в дорогостоящих фермах рендеринга CPU, 3d художники могут позволить себе и полагаться на свои собственные компактные рабочие станции с графическими процессорами и получить работу студийного качества за невысокую цену.
CPU vs GPU — Визуализация в реальном времени
При определенных рабочих процессах, в частности, VFX, графическом дизайне и анимации, требуется много времени для настройки сцены и управления освещением, что обычно происходит в окне (вьюпорте) просмотра программного обеспечения. GPU может управлять производительностью вьюпорта в программном обеспечении вашей студии, позволяя в реальном времени просматривать и манипулировать вашими 3d моделями, источниками света и проекциями в трех измерениях. Некоторое программное обеспечение для рендеринга, предназначенное только для графического процессора, может даже позволить вам полностью работать в окне просмотра с включенным Real Time рендерингом, увеличивая результат и минимизируя возможные ошибки, которые могут возникнуть при рендеринге в другой программе.
Совершенно очевидно, что преимущества работы и рендеринга на машинах с GPU по сравнению с традиционными рабочими станциями на базе CPU могут замедлить производство или ограничить бюджет проекта из-за потенциально необходимых обновлений.
Делаем выбор между рендерингом на CPU и GPU
Имейте в виду, что графические процессоры не предназначены для полной замены рабочих станций с процессорами и рабочего процесса. Может показаться, что преимущества рендеринга на основе CPU бледнеют по сравнению с преимуществами рендеринга на основе GPU, но в конечном итоге это зависит от того, что нужно вам или вашей студии. Эти процессоры живут и работают в синергетической гармонии. Графический процессор предназначен не для замены, а для ускорения и оптимизации существующих практик и рабочих процессов, максимального увеличения производительности и компенсации ресурсоёмких вычислений в приложениях, которые без них могли бы вывести из строя систему.
Даже с самыми быстрыми и мощными графическими процессорами в вашем распоряжении процессор по-прежнему тянет свою долю веса. Неопытному пользователю просто покажется, что ваши приложения работают намного быстрее и плавнее. Использование этих инструментов в тандеме сделает гораздо больше для вашей работы и презентаций, а также значительно увеличит способность вашей машины быстро воплощать ваши творения в жизнь. Удачного рендеринга!
Что такое рендер-фермы и рендер-станции — для чего они нужны
Содержание
Содержание
За несколько последних лет возрастает потребность пользователей в визуальном контенте. Это не только графика для игр или фильмов, а еще и разнообразные архитектурные, дизайнерские проекты, анимация для бизнес-идей и многое другое. Причем визуализация постоянно усложняется и для процесса рендеринга требуется немалое количество ресурсов. Вот здесь-то и приходит на помощь рендер-ферма или рендер-станция.
Что такое рендеринг
Рендеринг — это процесс, который не смогут обойти стороной те, кто работает с двухмерной или трехмерной графикой, анимацией. В переводе с английского рендеринг означает «визуализация». В ходе рендеринга происходит преобразование трехмерной сцены в статическое изображение (рендер) или же в последовательность кадров. Скажем проще: созданный в специальной программе набросок изображения превращается непосредственно в само изображение со своими цветами, тенями, освещением и т.п. А еще проще и банальнее – это процесс получения изображения с помощью специальной компьютерной программы.
Как работает рендеринг и что для него необходимо
Рендеринг — это довольно трудоемкий и сложный процесс, в ходе которого происходит множество математических вычислений. Проходит просчет и определение теней, текстур, отражения и многого другого.
Разработчики специальных программ для 3D-моделирования и рендеринга позаботились о том, чтобы пользователи не утруждали себя многочисленными просчетами и работали с привычными для них настройками.
Естественно, что для рендеринга требуется один или несколько компьютеров, программы для 3D-моделирования и визуализации (с соответствующими плагинами), программы для работы с графикой. Чаще всего рендер-движки уже встраиваются в графические программы, например, в такие как 3ds Max, Maya. Помимо этого, есть самостоятельные профессиональные системы для рендера, например, V-ray, Mental ray, Corona Renderer. Такие программы часто именуют рендерером.
Если говорить о значимости «начинки» компьютера для рендеринга, то здесь мы встретим подразделение на CPU Rendering и GPU Rendering. Первый вариант при просчете использует ресурсы процессора и оперативной памяти, а в случае с GPU, основная задача по визуализации ложится на видеокарту (графический процессор). Чему именно будет отдано предпочтение, зависит от используемой системы рендеринга.
Время просчета будет зависеть от массы факторов. Сюда входят сложность сцены, прозрачность или отражающие свойства материалов, текстуры, тени и освещенность, высокополигональность моделей и вычислительная мощь оборудования. Также есть зависимость и от того, какой метод использует система рендеринга.
Сколько же времени может занять рендеринг? В зависимости от всего вышеперечисленного от нескольких секунд до нескольких часов и даже дней.
Возьмем простой калькулятор на рендер-ферме и попробуем рассчитать стоимость и приблизительное время, выбрав примерные настройки. Результаты видны на трех скринах, причем выделено время просчета на домашнем компьютере и на ферме.
Что такое рендер-ферма
Рендер-ферма — это множество компьютеров, объединенных в единую вычислительную сеть. Такие сети или системы обычно именуют узлами. В зависимости от фермы, число таких узлов может доходить до нескольких тысяч.
Ферма как правило бывает двух типов: собственная (частная) и облачная (коммерческая). Первая создается под нужды какой-либо фирмы занимающейся, например, выпуском фильмов. Или же когда у отдельного дизайнера, фрилансера имеется несколько компьютеров с соответствующим программным обеспечением, и он использует их для рендеринга.
Облачные фермы предлагают услуги всем желающим пользователям. Данные фермы имеют на вооружении десятки серверов, необходимое оборудование, обслуживающий персонал. По сути это сложные профессиональные системы, располагающие мощнейшими, современными ресурсами для процедуры рендеринга.
Стоят профессиональные фермы довольно дорого. В стоимость входит не только цена на оборудование, софт, но и его обслуживание, охлаждение и т.п.
Что такое рендер-станция
Если ферма представляет собой несколько компьютеров объединенных в узлы, то рендер-станция (графическая станция) является отдельной машиной, предназначенной для работы с графикой, видео, дизайном. Такие станции базируются на различных платформах и комплектуются мощным «железом», которое чаще всего создается именно для работы с графикой. В пример можно привести профессиональную (и доступную рядовому пользователю) графическую карту Nvidia Quadro.
Как работают коммерческие рендер-фермы
Загруженные на фермы сцены могут рассчитываться на нескольких десятках и сотен рендер-узлах, что максимально сокращает время визуализации. Благодаря этому, несколько дней рендеринга возможно сократить до нескольких часов. Чтобы объяснить еще проще принцип работы ферм, сравним их с видеомонтажом.
Представьте, что у вас есть масса памятных видеокадров, которые вы хотели бы объединить в единый фильм с музыкальными вставками и по возможности, со спецэффектами. Чтобы это сделать, нужен компьютер, программное обеспечение и умение делать монтаж. Если же у вас что-либо из этого отсутствует, то вы естественно отдадите свои видеозаписи профессионалу, который за определенную сумму сделает для вас фильм. Тоже самое можно сказать и о рендере.
Работа рендер-фирм строится практически по одинаковому сценарию. Пользователь проходит процесс регистрации, пополняет счет (многие фермы предлагают попробовать бесплатно) и приступает к процессу. Для этого необходимо загрузить 3D-сцены на ферму, задать желаемые настройки и запустить процесс.
Важным моментом является загрузка с сайта программы или плагина, который встраивается в используемую пользователем программу (например, 3ds Max). Его задача — проверить все сцены и экспортировать их в ферму, сохраняя заданные пользователем настройки. Стоит отметить, что все фермы поддерживают наиболее часто используемые программы, приложения и плагины.
Рендерить на ферме или у себя дома?
На этот вопрос должен ответить сам пользователь, который делает статичные изображения, анимацию, спецэффекты и многое другое. Чтобы выполнять рендеринг дома необходим мощный компьютер, в котором главную роль будут играть процессор (архитектура, количество ядер, кэш) и количество оперативной памяти. Можно сказать, чем мощнее будет сборка, тем лучше для процесса.
В домашней ферме также используют несколько компьютеров, объединив их в локальную сеть. Также многое зависит от объемов работы. При больших объемах и сложных проектах, пользователю может не хватить одной или нескольких машин и в любом случае придется собирать свою ферму или же обратиться за помощью к коммерческой ферме. В сравнении с этим у рендер-ферм есть несколько существенных преимуществ.
1. Простота и поддержка. Пользоваться фермами довольно легко, к тому же на каждой из них пользователь сможет обратиться в службу поддержки.
2. Экономия средств и времени. В первом случае пользователь, которому нужен рендеринг, заплатит только за процесс на ферме и будет избавлен от закупки «железа» для собственной фермы и ее обслуживания. Ну и конечно же экономия времени, которое так необходимо, когда, например, у фрилансера масса заказов. Не стоит забывать о том, что дома на последних часах и минутах может отключиться электричество и все многочасовые труды пропадут.
Особенности рендеринга на рендер-ферме
Остановимся на некоторых особенностях, которые желательно знать и помнить всем посетителям ферм.
Онлайн-калькулятор.
Он есть на каждой ферме и с его помощью пользователь сможет рассчитать и оценить время и стоимость рендеринга. Однако, все это примерно и условно, так как до сих пор нет четкого и реального метода оценки времени рендеринга.
Совместимость ПО
Прежде чем приступить к работе, необходимо определить совместимость ПО, на котором был сделан проект и ПО имеющегося на ферме. Хотя, выше уже указывалось на то, что многие фермы имеют все последние версии ПО, плагины и загружают для пользователя свои плагины для проверки проекта. Несмотря на это, нужно быть внимательным, так как в некоторых ситуациях потраченные деньги фермы могут не вернуть.
Хранение данных
Фермы осуществляют хранение проектов и всех данных, однако через какой-то промежуток времени они могут быть удалены. Через какой промежуток именно, нужно узнавать на самой ферме.
Правила пользования
Прежде чем начинать работу на той или иной ферме, необходимо детально ознакомиться с правилами пользования фермой. Узнать каким образом она предоставляет кредиты, можно ли вернуть деньги и т.п. Для разрешения всех спорных или непонятных вопросов на каждой из ферм должна работать служба поддержки в режиме 24/7.
3D рендеринг: как работает GPU
Всем привет. Меня зовут Глеб Булгаков, я — программист. Вместе с тех. артистом Романом Лещенко мы работаем в компании Fractured Byte и хотим поделиться нашими знаниями и опытом в деле оптимизации реалтаймового контент пайплайна.
Работая вместе в компании BWF, мы успели приложить руку ко множеству разных по жанру, целевой платформе и сложности проектов. Среди них было и портирование всемирно известных проектов на мобильные платформы (Life Is Strange, Brothers: A Tale of Two Sons), разработка собственных проектов на разные платформы (In Fear I Trust, Renoir), и даже прототипирование и R’n’D для VR игр. У нас 9 лет опыта работы с движком Unreal Engine, начинали с UE3. Мы успели поработать с такими компаниями как Square Enix, Disney, 505 Games, Framestore, Chillingo и т.д. Таким образом, мы почти никогда не сталкивались с одними и теми же задачами и нам всегда приходилось изыскивать возможности отрисовать много контента на экране за минимальное количество миллисекунд. Так что, можно сказать, что мы съели на этом пару собак 🙂
В этой статье мы разберем принцип работы и отрисовки простейшей сцены на GPU, а также познакомимся с базовыми понятиями, на которые будем впоследствии ссылаться. Надеемся, эта статья будет интересна как техническим специалистам, так и артистам, желающим понять, почему “злые программисты” говорят им уменьшать разрешение текстур.
Обзор
Перед тем как погрузиться с головой в оптимизацию, нужно разобраться в том, как работает GPU и процессах, которые происходят в движке.
В упрощенном виде конвейер рендера (именно конвейер, потому что многие последующие процессы зависят от результатов завершения предыдущих) работает по такому принципу:
Как вы могли заметить, основная “магия” происходит в четвертом пункте. Что это за сложные вычисления, как они влияют на производительность и как научится их контролировать? Этим мы сегодня и займемся, а начнём с того, какие объекты можно создавать и какие операции можно делать над ними, а потом плавно перейдем к отрисовке сцены.
Также перед тем, как начать, стоит сказать, что эта статья не описывает какой-то конкретный конвейер рендера в конкретном движке (хотя мы и будем приводить много примеров из UE4), а старается обобщить наши знания таким образом, чтобы вы могли понять откуда “растут ноги” у современных контент-пайплайнов и графических фич, а также поняли, почему количество полигонов в модели уже давно не является адекватным мерилом производительности.
Мы также хотим уточнить, что эта статья не затрагивает моменты оптимизации самого рендера, мы хотим научить локализовывать проблемные места в игре, показать способы их обхода, а также показать как бороться с ограничениями платформы — иногда это означает разработку нового пайплайна для создания или оптимизации контента, иногда замену эквивалентными решениями, а иногда — отказ от данной фичи.
Какие ресурсы можно создать на GPU?
Текстуры
Самый известный и самый объемный ресурс — это, наверное, текстура. Чисто для примера мы будем использовать простую текстуру 8х8 пикселей с призраком из игры Pac-man:
Текстура обладает рядом характеристик: размером, форматом, наличием мип мап. Это самые основные настройки текстуры, на которые стоит обращать внимание, поскольку они определяют объем памяти, занимаемый этим ресурсом, определяют — хранится ли текстура со сжатием и т. д. Стоит также разобраться в типах текстур — на удивление, их достаточно много. Итак, поехали:
Двумерные (в терминологии DirectX 11 — Texture2D).
Тут и рассказывать особо нечего — это самый распространенный тип текстур, который с большой вероятностью будет делать
90% картинки в вашем проекте. Текстуры объектов, интерфейса, служебные LUT, карты высот — как правило, это все Texture2D.
Трехмерные (в терминологии DirectX 11 — Texture3D).
Такие текстуры можно представить как массив или слои двумерных текстур. В редакторе создавать их как ассеты можно, но для этого их нужно включить ( r.AllowVolumeTextureAssetCreation 1 ). В основном, 3D текстуры используются самим движком для работы с Vector Fields, Distance Fields, Volumetric Lightmaps и т.д. То есть там, где необходимо пространственное представление данных.
Каждая текстура может обладать уменьшенными копиями самой себя — это так называемые мип-мапы (mip maps). Дело в том, что когда мы рисуем объект, он может находится как близко, так и далеко от игрока и соответственно иметь разный размер на экране. В результате, если объект имеет текстуру большего разрешения, чем его фактический размер на экране в этот момент — невозможно стабильно получить один и тот же цвет пикселя на экране с течением времени. В результате возникает эффект, известный под названием Муар (от фр. Moire).
Чтобы избежать этого, придумали мипмапы, которые по сути являются уменьшенными копиями оригинальной текстуры, из которых значительно проще получить стабильный цвет пикселя на удалении. GPU сам определяет, какую мипмапу ему лучше использовать для каждого пикселя в зависимости от расстояния до пикселя. Генерация мипмап поддерживается аппаратно и нам не нужно заботиться об их создании вручную.
8 Мб
Константные буферы
Следующий ресурс — константный буфер. Это просто участок памяти, который используется для хранения информации, например, для геометрии модели или же для параметров материалов.
Рассмотрим простейшую модель — куб. Как вам, возможно, известно — треугольник является наименьшим элементом, из которого состоят все 3D-модели. И чтобы описать модель способом, который будет понятен GPU, нам нужно 2 буфера — вершинный и индексный. Вершинный описывает, как ни странно, вершины модели: их позицию, нормали, текстурные координаты и т. д. Индексный буфер содержит индексы вершин, порядок соединения этих вершин, необходимый для построения на экране отдельного треугольника.
Шейдера и стейты
Вместе с ресурсами на GPU можно создавать дополнительные объекты: стейты и шейдера. Первые из них являются объектами, которые описывают правила взаимодействия с конкретным ресурсом, вторые же —отдельные программы для GPU.
SamplerState — стейт, который определяет, как GPU делает выборку с текстуры: фильтрацию, адресацию. Это, наверно, единственный стейт в UE4, на который мы явно можем влиять, когда устанавливаем текстуру в материале или в настройках самой текстуры. При описании текстур я избегал слова “сэмплить” (sample), под сэмплингом подразумевается вычисление цвета, именно вычисление, а не простая загрузка из памяти. Каждый раз, когда мы сэмплим из текстуры, GPU делает много вычислений, чтобы определить, с какой мипмапы брать цвет, возможен даже блендинг между мипмапами; для определенных типов фильтрации, таких как Anisotropic, в учет берется и положение треугольника в пространстве. Сэмплинг — достаточно сложная операция, и чем меньше текстур используется при рендеринге объекта, тем лучше.
А что будет, если мы попытаемся взять пиксель за пределами текстуры (напомним, что текстура находится в пределах 0. 1)? Для этого и была придумана адресация.
Хоть большую часть стейтов мы и не можем контролировать напрямую, понимание того, как они работают, может помочь нам при профайлинге кадра.
Шейдер — это программа, которая выполняется на GPU. Есть разные виды шейдеров, но мы остановимся только на двух основных: Vertex Shader (вершинный) и Pixel Shader (пиксельный). Основной задачей вершинного шейдера является трансформация объекта в пространстве (перемещение, поворот и масштабирование) и проецирование на экран. После того, как GPU спроецировала примитив на экран, вступает в работу пиксельный шейдер, который и вычисляет цвет пикселя.
В UE4 шейдеры создаются путём визуального программирования в Material Editor. Каждый материал имеет в себе предопределенные входы (инпуты) (Base Color, Metallic, Roughness, Emissive и т.д.), и мы, создавая ноды и соединяя их в определенной последовательности, генерируем код шейдера. Этот код является только частью шейдера и определяет основные параметры материала. В свою очередь, материал генерирует не один шейдер, а целое множество шейдеров для разных проходов материала.
Операции на GPU
На GPU есть особая текстура — Swapchain, которая представляет собой область экрана, где рисуется наша сцена. Swapchain состоит из нескольких буферов: front buffer — содержит то, что сейчас мы видим на экране, и back buffer — текстура, в которую мы рисуем следующий кадр. Когда наша сцена отрисована и находится в back buffer, мы вызываем команду Present — она меняет front buffer и back buffer местами. И отрисовка следующего кадра начинается снова.
Спасибо за внимание, надеемся, вы почерпнули новых знаний и лучше поняли возможности GPU и для чего они используются. Во второй части статьи мы рассмотрим на практическом примере процесс отрисовки сцены. До встречи на UE4 Daily!