Wann wird dynamisches Echtzeit-Raytracing fr den Massenmarkt verfgbar?

Wann wird dynamisches Echtzeit-Raytracing fr den Massenmarkt verfgbar?Alexander StromerSS2012 / 20.9.2012 / Universitt Trieralexander@stromer.me1Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=bn_9_Zsjuwc

20.9.2012Ray Tracing Grundlagen

Film:Beispiel eines offline (nicht real-time) gerenderten Ray Tracing Filmes

2ZentralprojektionHeute bliches Verfahren in Grafikkarten

20.9.20123 / 35Das heute meist eingesetzte Verfahren ist Zentralprojektion (oft auch Rasterizing genannt). Dabei wird das 3D-Modell auf Basis von trigonometrischen Funktionen (sinus/cosinus) auf die Bildebene projiziert. Jedes mglicherweise sichtbare Objekt wird dabei von dem Operator auf die Bildebene projiziert, auch wenn es dann teilweise von anderen Objekten verdeckt wird. Bei wenigen Objekten im 3D-Modell ist dies eine sehr schnelle Methode ein Bild zu erzeugen. Je mehr Objekte sich aber im Bild befinden, umso langsamer wird dieser Prozess. Nichtsdestotrotz ist die Zentralprojektion sehr effizient um 2-dimensionale Bilder von 3D Modellen zu erzeugen.Problem bei diesem Verfahren ist die Berechnung der Lichtverhltnisse, da bei der mathematischen Projektion die Helligkeit nicht miteingeht. Man spricht hier von lokaler (direkte Beleuchtung eines Objekts) und globaler (Beleuchtung ber Reflexionen andere Objekte, auch genannt Radiosity) Illumination.Das Bild zeigt die Projektion von 2 Dreiecken auf eine Bildebene. Dabei verdeckt das rote Dreieck einen Groteil des gelben Dreiecks, aus der Sicht des Betrachters.3Ray TracingRendering-Algorithmus fr 3D-SzenenLichtstrahl nachempfunden

20.9.20124 / 35Ray Tracing ist ein Rendering-Algorithmus fr 3D-Szenen, der in den 60er Jahren in den USA erfunden worden ist. Dabei wird das 3D-Modell hnlich dem Verlauf von Lichtstrahlen durchwandert. Der wesentliche Unterschied zwischen natrlichen Lichtstrahlen und Ray Tracing ist aber, dass Lichtstrahlen (Rays) von der Lichtquelle ausgehen und beim Betrachter enden, bei Ray Tracing aber der Strahl beim Betrachter beginnt und bei der Lichtquelle endet. Der Betrachter wird in dem Bild als Auge dargestellt, was natrlich nicht korrekt ist, denn zwischen dem Auge und dem gerenderten Objekt ist noch der Computerbildschirm mit einer entsprechenden Auflsung. Der Bildschirm stellt also jenen Ausschnitt aus der Szene dar, die das Auge wahrnehmen wird. Die Auflsung des Bildschirms gibt die notwendigen Strahlenschsse vor. Ein Bildschirm mit 1024x1024 Pixel, der somit etwa 1 Million Pixel hat, bentigt also etwa 1 Million Strahlenschsse, um ein Bild zu erzeugen. Jeder Strahl hat aufgrund der Kameraposition/sonstige Verzerrungen in der Szene eine vorgegebene Richtung, in der der Strahl geschossen werden muss. Sobald ein Strahl auf ein Objekt trifft, wird die Farbe des getroffenen Objekts bestimmt. Je nach Verfahren wird weiter vorgegangen. In dem Bild wird das Verfahren Schattenberechnung gezeigt, dass von dem getroffenen Objekt versucht eine Lichtquelle direkt zu erreichen.

Es gibt auch noch Light Ray Tracing. Hier werden die Strahlen von der Lichtquelle aus in das 3D Modell geschossen. Der Betrachter sieht also die ausgestrahlten Lichtstrahlen und deren Auswirkungen auf die Szene. Aufgrund der geringeren Effizienz dieses Konzepts im Gegensatz zu Ray Tracing wird ihm aber nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt.4VerfahrensablaufAlgorithmusErzeuge Strahl von Bildebene (Pixel)Suche nhestes Objekt auf StrahlFarbe von Punkt abspeichernErzeuge Refraktion-/Reflexionsstrahl -> gehe zu 2Punkt 2 ineffizient -> Beschleunigungsstrukturen20.9.20125 / 35BeschleunigungsstrukturenLesegeschwindigkeitSchreibgeschwindigkeitDer Ray Tracing Algorithmus:Strahlerzeugung: Der Startstrahl wird von der Bildebene erzeugtDas erste Objekt, was den Strahl kreuzt wird gefunden Farbe des Objekts im Strahl speichernSub-Strahl vom Objekt abstrahlen mit Durchlssigkeitsfaktor und Brechungsfaktor der Oberflche (Refraktion)Sub-Strahl vom Objekt abstrahlen mit Spiegelungsfaktor der Oberflche (Reflektion)Gehe zu 2

Um in einem Modell voller Objekte jenes zu ermitteln, dass gerade den Strahl kreuzt, mssten Kollisionsberechnungen mit allen Objekten des 3D-Modells durchgefhrt werden. Dies ist ineffizient, denn eine Kollisionsberechnung mit Objekten, die in der Nhe des Strahls sind, reicht vllig aus. Um effizient das erste kreuzende Objekt auf dem Strahl zu finden, bedient man sich sogenannter Beschleunigungsstrukturen. Das sind oftmals hierarchische Strukturen, die den 3D-Raum in Gebiete unterteilen, sodass mit der aktuellen Position des Strahls schnell alle Objekte in diesem Gebiet ermittelt werden knnen.Das Problem bei derartigen Strukturen ist aber, dass bei Vernderung des 3D-Modells, die Beschleunigungsstruktur auch neuberechnet/adaptiert werden muss. Typischerweise sind Strukturen entweder einfach zu ndern, aber langsam in der Abfrage, oder aber schwer zu ndern, dafr schnell in der Abfrage. Diesen Tradeoff sollte man also pro Szene festlegen. Bei eher statischen Szenen verwendet man Strukturen fr das schnelle Auslesen, bei dynamischen Szenen eher Strukturen fr die schnelle Aktualisierung.5Gngige Beschleunigungsstrukturenkd-Baum

Bounding Volume Hierarchies20.9.2012

Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Bounding_volume_hierarchy

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/K-d-Baum6 / 35Hier sind zwei bliche Beschleunigungsstrukturen dargestellt.

Der kd-Baum ist ein balancierter Baum, dessen Bltter die Objekte des 3D-Modells enthalten. Er unterteilt somit den Raum solange immer mittig, bis jede Hlfte nurmehr 1 Objekt beinhaltet. Im Bild sieht man einen 2d-Baum fr einen 2-dimensionalen Raum. Wenn nun in dem gezeigten Bild ein Strahl von links unten nach rechts oben wandern wrde, wrde er bei jedem weiteren Vordringen nur immer die Objekte im jeweiligen Blatt auf Kollision berprfen.

Bounding Volume Hierarchies sind hnlich dem kd-Baum aber verfgen ber die Mglichkeit, eine Gruppe von Objekten als Blatt zu beinhalten. Dies ist bei Objektansammlungen von Vorteil um trotzdem einen flachen Baum fr den gesamten Raum zu erhalten. So kann beispielsweise der Strahl sehr schnell groe Distanzen in einem leeren Raum berwinden ohne Objekte berprfen zu mssen.6Evolution - Verdeckungsberechnung20.9.2012

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing7 / 35In den folgenden Folien werden nun die verschiedenen Evolutionsstufen von Ray Tracing dargestellt.

Das einfachste Verfahren von Ray Tracing ist die Verdeckungsberechnung, bei dem der Raum durchschritten, und die Farbe des erstgetroffenen Objekts an die Stelle des abgeschossenen Strahls gezeichnet wird. Dieses Verfahren, bei dem keine weiterfhrenden Strahlen berechnet werden, wird auch oftmals als Raycasting bezeichnet.Auerdem werden in dem Bild nur die Farben der Objekte jedoch keine Helligkeitsunterschiede dargestellt, dar in diesem Verfahren keine Lichtverhltnisse berechenbar sind. 7Evolution - Schattenberechnung20.9.2012Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing

8 / 35Die nchste Erweiterung nennt sich Schattenberechnung und ist die Verdeckungsberechnung inklusive einem Versuch vom auftreffenden Ort des Strahls, die Lichtquellen direkt zu erreichen. Wie man an dem Bild erkennt sind alle Zonen, die vom Lichtzentrum nicht direkt erreichbar sind komplett schwarz. blich ist auerdem, dass die Entfernung zur Lichtquelle, gekoppelt mit der Intensitt des Lichts, eine hhere Helligkeit in nahen Umgebungen erzeugt, als in fernen Umgebungen. Dies fhrt dazu, dass Objekte, die nahe an der Lichtquelle sind heller erscheinen, als Objekte die weiter davon entfernt sind. Dieser Effekt ist gut an den Wnden erkennbar, wo ein eindeutiger Helligkeitsverlauf vorherrscht. Allerdings ist dies im Bild auch etwas bertrieben.8Evolution - Rekursiv20.9.2012Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing

9 / 35Die rekursive Variante inkludiert die vorherigen Verfahren und fhrt spiegelnde (Reflektion) und durchlssige (Refraktion) Oberflchen ein. Dies hat zur Folge, dass ein Strahl beim Auftreffen auf eine Oberflche mit einem gewissen Faktor gespiegelt wird (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) und durchgelassen wird (Durchlssigkeitsfaktor + Lichtbrechungsfaktor). Dieser rekursive Neuschuss eines Sub-Strahls in der Szene kann grundstzlich unendlich oft passieren, jedoch wird dies abhngig von der Dominanz des Objekts in der Szene blicherweise relativ frh abgebrochen, da die menschliche Wahrnehmungsgrenze dessen mit jedem Sub-Strahl schwindet.Im Bild ist die hinten liegende Kugel spiegelnd, und die vorne liegende Kugel glsern ausgefhrt.9Evolution Diffus / Distributed20.9.2012Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing

10 / 35Diffuses Raytracing schliet wie gehabt das vorherige Verfahren rekursives Ray Tracing mit ein, bringt jedoch auch eine neue Verbesserung mit sich. Dieses mal wird durch das Verwenden von mehreren Sub-Strahlen beim Auftreffen des Bildschirm Strahls auf das Objekt, eine Streuung geschaffen und so der Eindruck von weichen Schatten erzeugt. Die eng gestreuten Sub-Strahlen versuchen die Lichtquelle (nicht nur das Lichtzentrum) direkt zu erreichen. Einige der Sub-Strahlen werden neben der Lichtquelle auftreffen, sodass keine Illumination erfolgt. Nur wenn alle gestreuten Strahlen die Lichtquelle erreichen wird also die maximale Beleuchtung erreicht.Je mehr Strahlen als Sub-Strahlen verwendet werden, desto weicher ist der Schattenverlauf. In der Praxis reichen etwa 10-20 Sub-Strahlen fr einen realistischen Eindruck aus.Das Bild zeigt wie sich der Algorithmus auf die Schatten auswirkt. An den Schattengrenzen verluft der Schatten nun nicht mehr hart, sondern in einem bergang, da viele Punkte nun auch ber die vom Lichtzentrum weiter entfernte leuchtende Hlle der Lichtquelle erreichbar sind bzw. dann doch nicht komplett ausgeleuchtet werden knnen, da nicht alle gestreuten Sub-Strahlen die Lichtquelle erreichen knnen.10Evolution - Path Tracing20.9.2012Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Raytracing

11 / 35Path Tracing ist der momentan eingesetzte Standard in Ray Tracing. Hier wird neben diffusem Ray Tracing auch noch eine Photonmap vor Beginn des Ray Tracings erstellt. Die Photonmap ist eine einmalige Lichtausbreitungsberechnung von der Lichtquelle aus, mit whlbarer Granularitt. Wie Beschleunigungsstrukturen muss die Photonmap bei einer nderung des 3D-Modells neuberechnet werden. Mit der Photonmap wird die globale Illumination, auch Radiosity genannt, simuliert. Die Photonmap wird dann mit dem diffusen Ray Tracing berlagert. Das obige Bild zeigt, etwas bertrieben wohlgemerkt, wie beispielsweise der linke Schatten der hinteren spiegelnden Kugel einen orangen Farbton erhlt und auerdem heller ist. Dies sind die Auswirkungen des abprallenden Lichts an der orangen Wand. Dagegen beinhaltet der Schatten der vorderen glsernen Kugel eine Lichtfokussierung da das Licht durch die Glaskugel fokussiert wird.11Ray Tracing vs. Zentralprojektion(CONTRA Ray Tracing)Ray TracingZentralprojektionBerechnungsintensiv3D-Modell-nderungen verringern EffizienzSchnelle Berechnung3D-Modell-nderungen haben geringe Auswirkung3D-Grafikkarten bereits optimiert20.9.201212 / 35Die Grnde warum Ray Tracing nicht schon heute eingesetzt wird, sind auf dieser Folie ersichtlich.

Warum Ray Tracing heute noch nicht eingesetzt wird:Berechnungsintensiv: Schon fr kleinere Displays (1024x1024 = 1Mio Pixel = 1Mio Rays) sind aufwendige Berechnungen notwendig. Dazu kommt, dass modernere Verfahren von Ray Tracing 10-20 Rays pro Pixel bentigen um weiche Schatten zu generieren. In Summe sind bei dem oben genannten Display, 25 Bildern pro Sekunde und den beispielsweise 10 Rays pro Pixel (1Mio * 25 * 10) = 250 Mio Rays pro Sekunde von der Bildschirmprojektionsflche notwendig. Wenn man sich nun vorstellt, dass beim Auftreffen eines Strahls auf eine Flche auch ein erneuter Sub-Strahl notwendig ist (z.b. Schattenberechnung mit mehreren Lichtquellen, Reflexion/Refraktion), dann kann dieser Wert schnell auf 250 Mio Rays pro Sekunde + weitere 250 Mio Sub-Rays wachsen. Die Berechnung eines Strahls ist nach wie vor eine komplexe Aufgabe und damit sind solche Dimensionen nicht einfach zu bewltigen.3D-Modell-nderungen: Um 3D-Modelle mit Rays effizient zu durchschreiten sind Beschleunigungsstrukturen essentiell. Bei einer nderung des 3D-Modells, muss somit auch die Beschleunigungsstruktur aktualisiert werden, was momentan noch relativ viel Zeit kostet.

Warum stattdessen Zentralprojektion verwendet wird:Schnelle Berechnung: Die mathematische Projektion ist sehr effizient. Das Durchschreiten des Raums ist unntig. Es ist also ein Modell der Raumdarstellung, dass sich auf die reine Projektion von Flchen spezialisiert hat.3D-Modell-nderungen: Bei nderungen des 3D-Modells sind nachher keinerlei Optimierungen durchzufhren. Beschleunigungsstrukturen sind, wenn berhaupt, nur untersttzend und nicht notwendig fr die Ausfhrung.3D-Grafikkarten optimiert: Die heutigen Grafikkarten sind fr den Ablauf der Zentralprojektion bereits mehr als ein Jahrzehnt lang optimiert worden (historische Entwicklung). Warum sollte man also gerade jetzt auf Ray Tracing umsteigen, wenn doch gerade alles gut funktioniert?12Ray Tracing vs. Zentralprojektion(PRO Ray Tracing)Ray TracingZentralprojektionAnzahl der Objekte des 3D-Modells nicht relevantRealistische DarstellungEinfacher AlgorithmusHchst parallelisierbare BerechnungenKomplexitt der Szene wchst mit Anzahl der Objekte im 3D-ModellViele Workarounds notwendig um Realismus zu imitierenTeilweise Parallelisierbarkeit20.9.201213 / 35Die Grnde warum Ray Tracing auch schon heute sinnvoll wre, sind auf dieser Folie dargestellt.

Warum knnte Ray Tracing auch heute bereits sinnvoll sein:Anzahl der Objekte: Grundstzlich ist Ray Tracing unabhngig von der Anzahl der Objekte im 3D-Modell, denn auch wenn 1 Mio Objekte im Raum sind, werden durch den Einsatz der Beschleunigungsstruktur nur ein Bruchteil davon tatschlich auf Kollision mit dem Strahl geprft. Einziges Limit in dieser Hinsicht ist die Speichergre um die Objekte im Speicher zu halten. Der Algorithmus selbst hat mit vielen Objekten keine Probleme. Um dennoch die Anzahl der Objekte zu verkleinern sind auch komplexere Vektorobjekte (Kugel, Pyramiden, o) denkbar, denn mgliche Schnittpositionen mit dem Strahl knnen nach wie vor geprft werden. Allerdings werden Dreiecke mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zuknftig eine dominante Rolle in 3D-Modellen spielen, da sie einen hohen Detailgrad einer Welt ermglichen. Realistische Darstellung: Auch wenn Ray Tracing nicht originalgetreu dem Licht (Photonen) nachempfunden ist, bildet es doch die wesentlichsten Konzepte des Lichtflusses ab (und zwar in umgekehrter Weise). Dies hat zur Folge, dass das Bild sehr naturgetreu wirkt, da die Lichteinflsse das Wesentliche eines Bildes sind.Einfacher Algorithmus: Ein einfaches und standardisiertes Programm kann nun fr die Farbverarbeitung einer Oberflche verwendet werden (Shader). Jedes getroffene Objekt ist also nur fr sich selbst und der ordnungsgemen Weiterverarbeitung des eingetroffenen Strahls verantwortlich. Parallelisierbarkeit: Aufgrund dessen, dass jeder Strahl fr sich genommen isoliert betrachtet werden kann (Strahlen knnen sich gegenseitig nicht beeinflussen), ist eine Parallelisierung sinnvoll. Je mehr Cores/CUDA-Einheiten ein Rechner hat, desto schneller sind also auch Ray Tracing-Bilder zu erzeugen.

Warum sollte Zentralprojektion heute nicht mehr eingesetzt werden:Steigende Berechnungskomplexitt mit Anzahl der Objekte: Fr alle im sichtbaren Bereich befindlichen Dreiecke muss die 2D-Abbildung durchgefhrt werden. Bei heutigen 3D-Modellen nimmt das bereits mehrere Millionen Dreiecke pro Szene in Anspruch. Um berhaupt solche Szenen zu visualisieren, wird das 3D-Modell vor dem Rendering mit Culling beschnitten um nicht zuviel berechnen zu mssen. Die Anzahl der Objekte korreliert somit mit der Schnelligkeit des Projektionsalgorithmus.Workarounds fr Realismus: Fr die Beleuchtung der Szene sind viele Workarounds notwendig. Dies hat Einfluss auf die Shader-Programme, die dann je nach Situation entsprechend verndert werden mssen oder sonstige Ausnahmen beinhalten.Teilweise Parallelisierbarkeit: Grundstzlich muss der Algorithmus die Dreiecke von weiter hinten in der Szene zuerst berechnen, und sich bis zu den Dreiecken am nhesten beim Betrachter heranarbeiten. Dies kann aber optimiert werden, sodass eine Parallelisierung grundstzlich mglich ist. Jedoch sieht der Algorithmus selbst aufgrund der abhngigen Verdeckung von Dreiecken keine Parallelisierung vor.132. Aktueller StandQuelle: http://www.vray.com/vray_for_maya/gallery/index.shtml

Inwieweit ist real time Ray Tracing heute schon mglich?

Bild:Beispiel eines offline (nicht real-time) gerenderten Ray Tracing Bildes14Technische UmsetzungMit existierender HardwareSoftware auf CPU (Intel-MIC / Daniel Pohl)Software auf GPU (nVidia Optix / Andreas Dietrich)Software auf anderen Prozessoren (Cell)

Mit neuer Hardware (RPU/SaarCOR, Uni Saarbrcken)20.9.201215 / 35Um Ray Tracing auf Rechnern umzusetzen, kommen derzeit 4 verschiedene Systeme infrage.

Mit existierender HardwareCPU: Die ersten Umsetzungen von Ray Tracing passierten auf der CPU, da sie die notwendige Flexibilitt bietet. Insbesondere fr die Erforschung der Thematik ist dies von Vorteil. Im weiteren Verlauf ist jedoch die Behbigkeit bei der Umsetzung der Parallelisierung (Multicore-Architekturen) ein Problem, dass CPUs momentan zu wenig interessanten Plattformen fr Ray Tracing macht.GPU: GPUs wurden erst in den letzten Jahren fhig derart flexibel programmierbar zu sein, dass Ray Tracing darauf berhaupt mglich ist. Dabei wird die Hardware aber nicht entsprechend ihrer Auslegung (Grafikpipeline) verwendet, sondern lediglich die hoch parallelisierten Recheneinheiten (Shader). Aktuelle hochperformante Grafikkarten besitzen zum Beispiel etwa 3000 parallelisierte Recheneinheiten. Abstriche muss man hier aber in Sachen Flexibilitt machen, denn diese simpleren Recheneinheiten knnen nicht gut organisiert werden. Ein komplettes Ray Tracing, ohne einer komplexeren Management-Einheit, wre somit auf einer GPU undenkbar.Cell: Der Cell-Prozessor von IBM hat bereits frh Multikern-Architekturen auf CPU-Ebene integriert. Dies hat zur Folge, dass hohe Parallelisierung und hohe Flexibilitt mglich sind. Wegen des hohen Aufwands der Software-Entwicklung fr diesen Prozessor war der Cell-Prozessor kein Erfolg und wurde auch nicht weiterentwickelt. Diese Art von Prozessoren gehen aber in die richtige Richtung um Ray Tracing effizient zu erledigen.

Mit neuer Hardware knnte man eine ideale Anpassung an die Aufgaben des Ray Tracing vornehmen. Es gab bereits derartige Projekte, die mit rudimentrer, jedoch angepasster Hardware, eine bessere Effizienz erzielen knnen als damalige CPUs. Leider stehen hier keine ausreichend detaillierten Untersuchungen zur Verfgung, aber klar ist, dass eine optimierte Hardware die beste Performance erzielen kann.15Standardszene - ConferenceStatische Szene282k Dreieckebliche Referenz

Diffuses Rendering2009Intel MIC (24 cores)-> 36MRays/s-> 360x354@17fps20.9.2012Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=yvCVD3xtvTg

16 / 35Um die nun folgenden Gegenberstellungen der Hardware-Realisierungen vergleichbar zu machen, bedienen wir uns einer weit verbreiteten Standardszene namens Conference. Sie ist keine eigens fr Ray Tracing erstellte Szene, sondern wird auch fr Zentralprojektionanalysen verwendet. Sie besitzt keine Animationen und besteht aus vergleichsweise wenigen Dreiecken.Trotz ihrer Bekanntheit wird sie jedoch nicht von allen Forschern als Referenz angesehen und so macht es einen Vergleich von Hardwareumsetzungen noch schwieriger. Einige Forscher verwenden sogar proprietre Szenen und machen so ihr Versuchsergebnis nicht nur nicht nachvollziehbar, sondern auch unvergleichbar mit anderen Technologien. Es gibt auch andere Szenen, die gern fr Ray Tracing Tests eingesetzt werden, aber Conference wurde hier ausgewhlt, weil sie die meistverwendete Referenz von Forschern ist.

Das dargestellte Video zeigt diffuses real-time Ray Tracing dieser Szene aus dem Jahre 2009. Dazu wurde eine sich in Entwicklung befindende Intel CPU verwendet, die 24 Kerne besitzt. Der Ersteller des Videos behauptet in der Beschreibung des Youtube-Videos, dass damit 36Mio Rays pro Sekunde zu berechnen wren. Das fhrt in der verfgbaren Auflsung des Videos von 360x354 Pixel zu 17 Bildern pro Sekunde. Das Video selbst ruckelt aber sehr und enthlt nur gefhlte 5 Bilder pro Sekunde. Aufgrund der fehlenden Dokumentation, dient dieses Beispiel also nicht als glaubhafte Referenz fr Ray Tracing auf einer CPU.16Effizienz fr Conference-SzeneTechnikMega Rays/s1024 Pixel x 1024 Pixel x 10 rays per pixel @ 25 fps~260HD1080: 1920 x 1080 x 20 @ 60~2500CPU [JS2004] ~1,6CPU (qwrt, non-std) [DP2009] ~46CPU (wolfrt, non-std) [DP2012]~26GPU [AL2009] ~142GPU [SP2010]~193Cell [HF2006] ~240SaarCOR / RPU [SW2006] ~3,2 / ~120.9.201217 / 35In der Tabelle werden einige Eckdaten und die technische Machbarkeit fr Hardwaresysteme bei der Verwendung von Ray Tracing dargestellt.

Um sich Ray Tracing und dessen Aufwand zu verbildlichen wird gern der fiktive 1024x1024 Pixel Bildschirm verwendet, da er rechnerisch auf einem Blick etwa eine Million Pixel hat. Fr den Einsatz von diffusem Ray Tracing werden 10 Sub-Strahlen pro Pixel angenommen. Um bewegende Bilder wahrzunehmen sind mindestens 25 Bilder pro Sekunde notwendig. Dies fhrt zu einer notwendigen Rechenleistung von 250 Mio Rays pro Sekunde fr ein bewegtes Bild.

Fr die Auflsung von modernen Bildschirmen, also beispielsweise fr 1920x1080 (ein blicher HD Standard bei Fernsehern) und Verwendung von weicheren Schatten mit 20-fach diffusem Ray Tracing und bei 60 Bildern pro Sekunde, das bliche LCD-Bildschirmlimit und fr flssigere Bewegungen, ist somit bereits eine notwendige Leistung von 2500 Mio Rays pro Sekunde notwendig.

Es sind Tests auf den 4 vorgestellten Hardwarelsungen in den vergangenen Jahren durchgefhrt worden und werden auch hier aufgefhrt. Hier muss bemerkt werden, dass die CPU-Recherche in den Jahren 2009 und 2012 sich nicht auf die Conference-Szene beziehen und so genaugenommen mit anderen Daten nicht vergleichbar sind. Weiters kommt hinzu, dass die Daten fr die CPU aus 2009 nicht besonders aussagekrftig sind, da die Dokumentation des Tests sehr nachlssig gewhlt wurde. Bei der Annahme, dass die Daten jedoch vergleichbar sind, sieht man jedoch, dass Lsungen der CPU der GPU wie erwartet unterlegen sind, da die GPU eine hhere Parallelisierungsfhigkeit aufweist. Der optimierte Cell Prozessor scheint allerdings noch schneller als die GPU zu sein, da die Hardware ja optimiert fr derartige Ttigkeiten ist. Die selbst entwickelten Hardware-Lsungen der Uni Saarbrcken haben aufgrund der nicht aussagekrftigen Analysen hier keinen besonderen Stellenwert eingenommen. Auch in Sachen Performanz zeichnet sich keine Dominanz gegenber CPUs ab. Im Paper selbst wird aber eine berragende Performanz gegenber CPUs bescheinigt. Allerdings ist auch klar, dass die dortig verwendeten Hardware-Komponenten nicht vergleichbar mit damals verfgbaren ausgereiften CPUs waren. Eine Normalisierung beider verglichenen Technologien, also CPU und Selbstfertigung, wurde nicht vorgenommen. Somit knnen die Daten streng genommen nicht vergleichend behandelt werden. Dennoch sollen sie hier der Vollstndigkeit wegen erwhnt werden.173. HerausforderungenQuelle: http://www.vray.com/vray_for_rhino/gallery/index.shtml

Welche Herausforderungen ergeben sich in den kommenden Jahren, damit Ray Tracing eingesetzt werden kann?

Bild:Beispiel eines offline (nicht real-time) gerenderten Ray Tracing Bildes18BeschleunigungsstrukturGut fr statische SzenenNeuberechnung hinderlich fr bewegende SzenenEigenes ForschungsgebietMomentane Vorstorichtung: Hierarchie-Bume (BVH)

20.9.201219 / 35Ein eigenes Forschungsgebiet stellen die Beschleunigungsstrukturen fr Ray Tracing dar. Wie erluert muss hier szenenbasiert eine Abwgung zwischen schnellem Lesen und schnellem Schreiben von Strukturen gemacht werden. Themen fr diesen Bereich sind zum Beispiel:Ist grundstzlich eine Neuberechnung oder Update der Struktur effizienter?Wie kann man effizient einen Baum neu balancieren nachdem neue Objekte in das 3D-Modell eingefgt/entfernt wurden?Welche Modell-nderungen bedingen eine Neuberechnung, da sonst die gesamte Struktur nur ineffizient aktualisiert werden kann?Die Industrie hat sich momentan eher auf Bounding Volume Hierarchies festgelegt, da sie besser zu kontrollieren sind im Hinblick auf die Granularitt.

Derzeit wird in der Forschungsszene dem Problem der Optimierung von Beschleunigungsstrukturen einigermaen Aufmerksamkeit gewidmet.19Diffuses RaytracingEtablierte Methode fr weiche SchattenBentigt 10-20 Rays pro PixelKeine Forschung

20.9.201220 / 35Diffuses Ray Tracing stellt wegen seiner hohen Ansprche, dem Sub-Strahlmultiplikator, eine hohe Belastung fr die Hardware dar. Dennoch wird dieser Algorithmus als unverrckbar angesehen. Es findet hier laut meiner Recherche so gut wie keine Forschung statt um weiche Schatten auch anders zu erstellen. Die mangelnde Effizienz in diesem Bereich wird nicht hinterfragt. Somit stellt sich dieser Bereich als interessantes Forschungsgebiet interessant dar.20Hardwaretransition 1/3Vernderte Grafikpipeline notwendig

20.9.2012Quelle: http://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=15051

21 / 35Aufgrund der Probleme die Ray Tracing mit bestehender Hardware hat, ist anzunehmen, dass sich Hardware-nderungen durchsetzen werden, die Ray Tracing zumindest effizienter ermglichen. Diese Transition zwischen der jetzigen auf Zentralprojektion fixierten Hardware, und einer Hardware, die auch Raytracing gut untersttzt, wird in den nchsten 3 Folien behandelt.

Die Exklusivitt fr Zentralprojektion, die die Grafikpipeline bis dato geniet, fhrte zu einer Optimierung auf Hardware-, wie auch auf Software-Seite. Im Bild ist die fr DirectX 11 standardisierte Grafikpipeline sichtbar. Zu bemerken ist, dass die Modelloperationen, bis inklusive dem Geometry Shader, auch fr Ray Tracing sinnvoll sind. Die Komponenten Rasterizer (die Projektion selbst) und Pixel Shader (Oberflchenfarbenberechnung von Objekten) sind dagegen fr Ray Tracing komplett unterschiedlich ausgefhrt. Konkret msste der Rasterizer durch hoch paralleliserte Ray Tracer Einheiten ersetzt und der Pixel Shader standardisiert und massiv vereinfacht werden.21Hardwaretransition 2/3GPU vs CPU - RennenGPUShader mssen verwaltbarer werden (mehr Flexibilitt)Dualpurpose-Pipeline (Raytracing, Zentralprojektion)Sinnvoller in der Umsetzung (Aufwand der Grafik -> GPU als Grafikeinheit des PCs)CPUmehr Cores notwendigCores fr Grafik oder Cores fr Gameloop?

20.9.201222 / 35Im Moment werden die bestehenden Hardwaretechnologien, also CPU und GPU, so effizient wie mglich ausgenutzt und weiterentwickelt. Es entwickelt sich hier sozusagen ein Rennen zwischen diesen beiden Konzepten.

Es gibt jedoch konzeptionelle Probleme bei beiden Technologien.

Die GPU msste mehr Managementfhigkeiten aufweisen um Ray Tracing isoliert auf der GPU durchfhren zu knnen. Weiters stellt sich die Frage wie der Konsument diese neuen Fhigkeiten der GPU verwenden kann, also ob eine komplett eigenstndige Hardware notwendig sein wird, oder ob eine GPU fhig sein wird fr Zentralprojektion und Ray Tracing zur Verfgung zu stehen. Die Marktdurchdringung drfte mit einer eigenen fr Ray Tracing anzuschaffenden Karte entsprechend gering sein. Auch ist hier zu beachten, dass wenn zuknftig nurmehr Karten fr Ray Tracing erstellt werden sollten, ein Systembruch stattfindet, da alte Software nicht mehr auf der neuen Hardware lauffhig sein wird.Grundstzlich ist der Einsatz von Ray Tracing auf der GPU sinnvoller, da die Grafikeinheit ohnehin schon aufgrund ihrer Anforderungen in jedem PC einen besonderen Stellenwert erhlt und dies sich auch fr Ray Tracing nicht ndern wird. Auerdem ergeben die vorher gezeigten Tests, dass bereits heute GPUs den CPUs in Sachen Ray Tracing leistungstechnisch berlegen sind.

CPUs sind flexibel im Aufbau und knnen somit ideal dem notwendigen Rahmen von Ray Tracing angepasst werden. Diese Flexibilitt ist es aber, die die Entwicklung von Paralleliserung fr CPUs schwerer macht. Die Recheneinheiten fr Ray Tracing mssen keine auergewhnlich flexiblen Ttigkeiten erledigen, somit ist eine Parallelisierung auf der CPU viel zu mchtig fr Ray Tracing. Im CPU-Bereich wird bereits an manycore-Architekturen gearbeitet, aber die Entwicklung kann mit der Parallelisierung von GPUs nicht mithalten. Weiters stellt sich die Frage ob die zustzlichen Kerne der CPU nicht besser in andere Prozesse der Gameloop investiert werden knnen, die die Flexibilitt besser ausntzen wrden, wie beispielsweise knstliche Intelligenz.22Hardwaretransition 3/3Intel, AMD/ATI, Nvidia arbeiten bereits daranParadigmenwechsel schon bei Programmierung(OpenRT) ohne Massenmarkt zu verlieren!

-> Industriestandard notwendig

20.9.201223 / 35Die Forschungsbereiche bei Intel und Nvidia arbeiten bereits an Ray Tracing Lsungen. Insbesondere Nvidia stellt mit seinem Optix-Framework bereits alles zur Verfgung um Ray Tracing auf GPUs durchzufhren. AMD hat mit Cinema 2.0 auch in diese Richtung gearbeitet. Intel verfolgt ein many integrated core (MIC) Konzept, das viele Kerne auf CPUs mglich machen soll.

Zuwenig betrachtet wird allerdings neben den Frameworks der unterschiedlichen Hersteller, auch einen geeigneten Programmier-Standard fr Ray Tracing Software zu schaffen, wie das bei DirectX/OpenGL der Fall ist. Vor Jahren wurde bereits mit OpenRT durch die Universitt Saabrcken ein Schritt in diese Richtung gemacht. Ob und inwieweit dieser Standard aber als Referenz von Herstellern aufgegriffen wird ist nicht bekannt.23Kosten - NutzenRechenmehraufwand Umstellung Hardware (Herstellerseite)Umstellung neue Schnittstelle (OpenRT o..)Umstellungsperiode (Untersttzung bei Kunden garantieren)

Viel weniger ProgrammieraufwandFokus auf andere Gebiete mglichRealistische Darstellung (keine Approximationen mehr)Zukunftsfhige Lsung20.9.201224 / 35Diese Folie soll die Marktchance fr Ray Tracing analysieren.

KostenRechenmehraufwand: Nicht jedem Anwender wird eine realistischere Grafik, Abstriche in der Auflsung wert sein, denn Zentralprojektion bleibt nach wie vor eine effizientere Methode um 3D-Modelle zu rendern. Umstellung Hardware: Eine Umstellung der Hardware schliet beispielsweise die Neuentwicklung der Grafikpipeline und die notwendigen Konzeptnderungen mit ein. Wenn eine Dualpurpose-Lsung (also Zentralprojektion und Ray Tracing auf derselben Hardware) verfolgt werden soll, ist hier der Aufwand grer. Umstellung Schnittstelle: Aufgrund dessen, dass das Ray Tracing Konzept bereits sehr gut durchdacht ist, ist eine Entwicklung einer standardisierten Ray Tracing Programmierschnittstelle sinnvoll. Es ist also eine Erweiterung oder Neuentwicklung von OpenRT als Standard notwendig.Umstellungsperiode: Fr Ray Tracing neu entwickelte Software kann erst ausgeliefert werden, wenn bereits die notwendige Hardware existiert. Das ist praktisch gesehen unmachbar, denn es wird immer Benutzer geben, die nicht die dafr minimal notwendige Hardware besitzen. Wie damals bei Zentralprojektion auch, kann man aber Fallback-Szenarien auf die CPU einrichten, die bei nicht Vorhandensein der notwendigen Grafikeinheiten, die Berechnungen auf der CPU durchfhrt.

NutzenWeniger Programmieraufwand: Durch die vereinheitlichten Shaderprogramme, sind fr die Entwicklung von Software keine Spezialprogrammierungen mehr notwendig, sei es wenn die Engine dies fr das Programm erledigt, oder wenn es um das Verwenden der Engine selbst geht. Dies reduziert auch das notwendige Knowhow um qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen.Fokus: Die freiwerdenden Ressourcen fr die Grafik knnen also fr andere Gebiete bei der Entwicklung eingesetzt werden. Im Bereich der Spieleprogrammierung wren das etwa bessere knstliche Intelligenz, bessere Geschichtserzhlung, bessere Animation oder einfach Budgetminimierung.Realistische Darstellung: Der wesentliche Grund fr Ray Tracing ist der Zugewinn an Realismus im Bild. Das natrliche Licht funktioniert nach wie vor etwas anders, aber der Grundprozess von Strahlen ist derselbe und somit ist das Grundprinzip von Ray Tracing sinnvoll fr eine realistischere Darstellung.Zukunftsfhig: In absehbarer Zeit wird der Markt einen hheren Realismus erwarten und dies stellt einen Innovationsdruck fr neue Produkte dar. Der technische Fortschritt selbst bietet auch das beste Argument, dass Ray Tracing in Zukunft eingesetzt wird. Die Rechenkapazitt steigt seit Jahrzehnten hinweg unentwegt, und so wird Ray Tracing in Zukunft zwar der rechenlastigere aber programmiertechnisch gesehen einfachere Weg sein, und auch eingesetzt werden.244. ZukunftQuelle: http://www.templates.com/blog/rush-energy-3d-car-concepts/

Wie wird sich Ray Tracing in den nchsten Jahren entwickeln?

Auf den folgenden Folien sollen Anhaltspunkte angefhrt werden, die darauf hindeuten, dass Ray Tracing eine nahe abzusehende Entwicklung darstellt.

Bild:Beispiel eines offline (nicht real-time) gerenderten Ray Tracing Bildes

25Allgemein Hinweise - Papers20.9.201226 / 35Realtime ray tracing can become a viable alternative graphics technology if it can be offered within a single desktop computer Jrg Schmittler et al [JS2004].. given the lead times in game and hardware development, it seems that the time may be right to explore ray tracing based games.. Heiko Friedrich et al [HF2006]With advances in CPU hardware and increased availability of parallel machines .. , ray tracing has reached a stage where it is no longer limited to only off-line rendering. Ingo Wald et al [IW2007]Auf dieser Folie finden sich Statements aus Publikationen von 3 Forschern.

So sagen Jrg Schmittler et al, dass realtime Ray Tracing eine echte Alternative wre, sollte es auf einem Desktop PC mglich sein. Wie dies gemacht wird, wird ausgelassen. Es gibt beispielsweise heute schon cloud-basierte Renderdienste, die auch dieses Kriterium erfllen (siehe Daniel Pohl bei Intel). Es werden also keine Prognosen der Technik, sondern eher des Hersteller- oder Kundenverhaltens gemacht.

Heiko Friedrich et al sagen, dass aufgrund der Entwicklungszeit von Spielen, es im Jahr 2006 bereits sinnvoll wre sich als Spieleentwickler mit Ray Tracing zu befassen um knftige Trends zu erfassen. Entwicklungszeiten in der Spielebranche bewegen sich zwischen wenigen Monaten bis maximal 5 Jahre fr grofinanzierte Titel. Lngere Entwicklungszeiten sind eher die Ausnahme. Somit sollten laut dieser Aussage bereits Spiele am Markt sein, die Ray Tracing in irgendeiner Form einsetzen. Dies trifft zu, denn moderne Spiele-Engines setzen bereits Radiosity, also Techniken der globalen Illumination, ein. Ein voll mit Ray Tracing gerendertes Spiel, gibt es jedoch noch nicht. Somit knnte man die Aussage als berschtzt bewerten.

Ingo Wald et al machen bereits eine wegweisende Andeutung, dass der kommende technologische Fortschritt real-time Ray Tracing auf Desktop PCs mglich macht.26Allgemein Hinweise - IndustrieIntel, AMD/ATI, Nvidia arbeiten bereits an Raytracing-UntersttzungRadiosity in Zentralprojektion als Vorbote von Raytracing

20.9.201227 / 35There are too many things [about rasterization] that weve suffered with, especially for shadows and environment mapping. We live with hacks that ray tracing can let us do much better. John Carmack [JC2011]Auf dieser Folie werden die Zeichen der Industrie interpretiert.

John Carmack, Grnder von id-Software, Entwickler der ersten echten 3D-Engine, und Entwickler von Spielen wie Castle Wolfenstein 3D, Doom uvm, sagte erst krzlich in einem Interview, dass Rasterisierung (also Zentralprojektion) zuviele hacks besitzt, die mit Ray Tracing alle berflssig wren. Es wird also bereits laut von Entwicklergren ber Ray Tracing nachgedacht. Eine Prognose wann Ray Tracing aber in der Industrie interessant wird, ist hier nicht zu finden.

Chip-Entwickler-Gren arbeiten bereits an Ray Tracing-Untersttzung ihrer Plattformen. Das prominenteste Beispiel ist Nvidia, die ein eigenes Framework namens Optix bereits mehrjhrig fr alle zur Verfgung stellen, um Applikationen damit zu entwickeln. Intels MIC (many integrated cores) Architektur zielt unter anderem darauf ab, hochparallelisierfhige Aufgaben, wie zum Beispiel Ray Tracing, auf der CPU zu ermglichen. AMD/ATI hatte diesbezglich im Jahr 2008 eine Software oder ein Konzept namens Cinema 2.0 gro angekndigt, von dem man nachher aber nicht mehr viel gehrt hat. Nichtsdestotrotz ist das ein sehr wichtiges Zeichen, dass bereits groe Chiphersteller sich an der Forschung zu Ray Tracing beteiligen, denn ein Unternehmen arbeitet grundstzlich gewinnorientiert und sieht somit einen mglichen Profit in der Untersttzung dieser Forschung.

In den letzten Jahren sind in groen Engines (cry engine 3, frostbite 2, u.a.) bereits Radiosity-Verfahren miteingeflossen. Dies ist nicht nur ein visueller Erfolg, sondern deutet auch darauf hin, dass Teile des Ray Tracings bereits in bestehende Zentralprojektionsalgorithmen miteingearbeitet werden, es somit bereits mglich ist solche Verfahren in Spielen einzusetzen. Wie genau die technische Umsetzung in diesen Engines passiert, ist jedoch nicht bekannt, somit knnte es sich unter Umstnden wieder nur um einen Hack handeln. Dennoch zeigt hier die Industrie abermals, dass ein Wunsch nach realistischerer Grafik im Markt vorhanden ist.27Maximal sinnvolle AuflsungAuge: 120 MegaPixel (Stbchen)-> z.B. 15000 x 8000 Pixel BildschirmRaytracing: 120 MP x 20 rays @ 60 fps = 144 Giga Rays/sSpezifikation: WHUXGA = 7680 x 4800 P = 36MP20.9.201228 / 35Auf den nchsten 3 Folien folgt eine eigene Analyse, wann real time Ray Tracing einsatzfhig wre.

Die aktuelle Entwicklung der Grafikkarten zielt im wesentlichen darauf ab, fr eine immer grere Auflsung das Rendering durchzufhren. In Sachen Effizienz ist hier Ray Tracing immer im Nachteil, da die Zentralprojektion schlichtweg schneller ist. Auch bei vielen Objekten in der Szene, sind geeignete Techniken fr Zentralprojektion vorhanden um die Objekte derart zu reduzieren, dass die Projektion schnell von statten geht.

Ein hartes Limit fr den derzeitigen Trend stellt die maximal sinnvolle Auflsung eines Bildschirms dar. Apple hat diesen Trend beispielsweise bereits erkannt und spricht von Retina-Displays, also Bildschirmen bei denen das menschliche Auge die einzelnen Pixel in einer benutzungsblichen Distanz nicht mehr unterscheiden kann. Diesen Denkansatz kann man auch fr Ray Tracing bertragen und als sptestmglichen Einsatzzeitpunkt fr Ray Tracing whlen.

Die grundlegenden Fakten sind, dass das Auge auf der Netzhaut 120 Mio Stbchen besitzt um Konturinformationen wahrzunehmen. Farbinformationen werden mit ein paar zustzlichen Millionen Zpfchen wahrgenommen. Somit besitzt das Auge eine Auflsung von 120 MegaPixel. Um sich diese Zahl zu verdeutlichen, wird dies mit einem fiktiven Bildschirm von der Gre 15000x8000 Pixel angegeben.Ray Tracing wrde fr eine 120Mio Pixel Auflsung, dem diffusen Ray Tracing mit dem Faktor 20, und bei 60 Bildern pro Sekunde fr flssige Bilder, eine Rechenkapazitt von 144 Giga Rays pro Sekunde bentigen. Dies ist zwar nur eine grobe Schtzung, jedoch bietet sie nun einen Anhaltspunkt fr weitere Prognosen. Diese Rechenkapazitt ist also notwendig, um maximale Immersion fr einen Betrachter herzustellen, denn dann wird jedes Stbchen des Auges mit einem gerenderten Pixel bedient.

Diese Gre von Display ist beispielsweise noch gar nicht definiert. Die derzeitige maximale Definition umfasst 36 MegaPixel. Alle Definitionen ber 120MegaPixel mssen jedoch kritisch hinterfragt werden, denn damit berschreitet man bereits die Wahrnehmungsgrenze des Menschen.28Moores LawGordon Moore1965 / IntelAlle 2 Jahre-> Verdopplungder Transistorzahl

20.9.2012

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Mooresches_Gesetz29 / 35Um nun eine Prognose fr den technologischen Fortschritt zu finden, bedienen wir uns Moores Law, einem bekannten Gesetz ber das Transistoranzahl-Wachstum auf Chips. In der 40-jhrigen Existenz des Gesetzes, hat es bereits vielfach korrekt den Verlauf des technologischen Fortschritts vorhergesagt, also ist zu erwarten, dass dies auch noch fr die kommenden Jahre korrekt sein wird.Nachdem die Geschwindigkeit von real time Ray Tracing direkt von der Rechenkapazitt abhngt, kann Moores Law auch auf die Entwicklung fr Ray Tracing bertragen werden.

Es gibt mehrere Interpretationen frs Moores Law. In dieser Prognose wird der Ansatz gewhlt, dass alle 2 Jahre eine Verdopplung der Transistoranzahl, also auch eine Verdopplung der Rechengeschwindigkeit stattfindet.

29Moores Law in Raytracing20.9.2012Quelle: eigene Erstellung

30 / 35Wendet man nun Moores Law auf die bereits bestehenden Ausgangsdaten fr CPU, GPU und Cell Prozessoren an, so erkennt man, dass mit Cell bereits 2013 eine Umsetzung von HD1080 mglich wre. Cell steht in diesem Zusammenhang fr einen optimierten Prozessor der Ray Tracing sehr gut untersttzt. Mit der heutigen GPU-Technologie wre im Jahr 2018 HD1080 mglich. CPUs wrden dagegen bis etwa 2026 bentigen.Die maximal sinnvolle Auflsung (120 Mega Pixel) wren mit einer optimierten Hardware im Jahre 2025 erreichbar, GPU 2030 und CPU 2037.

Trotz dieser Prognose sei noch bemerkt, dass eine technische Machbarkeit, noch keinen Einsatz rechtfertigt. Bis dass man mit einer technologischen Studie, tatschlich marktreife Produkte entwickeln kann, vergehen nochmals einige Jahre an Entwicklungszeit.Weiters handelt es sich hier um statische Szenen. Um dynamische Szenen zu Ray Tracen mssen beispielsweise die Beschleunigungsstruktur und Photonmap stets aktuell gehalten werden. Auch wenn dies nicht bei jedem Frame passiert und bei den besprochenen Auflsungen nicht mehr eine derartige Auswirkung hat, sei es dennoch bemerkt, dass dies hier fehlt.30Fazit 1Raytracing ist die langfristig sinnvolle Alternative gegenber ZentralprojektionZentralprojektion bleibt als Approximation immer gnstiger, aber SW-Hersteller (Spielemarkt) mssen sich zunehmend mit unntiger Programmierung konfrontieren (-> Druck auf Wechsel)Spezielle HW wird sich etablieren (Cell-hnlich) und so Leistung voll ausschpfen. 2025 erreicht diese HW laut Moores Law die Reife fr Augen-Auflsung (120MP).

20.9.201231 / 35Abschlieend sind folgende Schlsse zu ziehen.

Ray Tracing ist, insbesondere unter dem Gesichtspunkt des technologischen Fortschritts beim Rechenvermgen von Prozessoren, langfristig die einfachere und sinnvollere Alternative.

Zentralprojektion hat seine Daseinsberechtigung als gnstige Approximation. Software-Hersteller sehen sich aber zunehmend dem Druck des Spielemarkts der schnelleren Entwicklung von Spielen, und auch dem Wunsch der Konsumenten nach realistischerer Grafik ausgesetzt. Beides ist mglich durch den Einsatz von Ray Tracing mit den Kosten der geringeren Effizienz beim Rendering. Wann dieser Druck so gro wird, dass Ray Tracing schlielich eingesetzt wird, kann hier nicht abgeschtzt werden, aber der Druck existiert.

Die Analysen zeigten, dass weder die heutige CPU noch GPU die optimale Hardware fr Ray Tracing stellen. Sollte tatschlich ein Markt fr Ray Tracing entstehen, ist mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit die Entwicklung einer eigenen Chipreihe fr Ray Tracing zu rechnen, die Cell-hnlich die Verarbeitung von Ray Tracing optimiert. Eine Dualpurpose-GPU, die Zentralprojektion fr Backward-Kompatibilitt und Ray Tracing untersttzt ist hier die wahrscheinlichste Variante.Diese neu entwickelte Hardware knnte somit im Jahr 2025 fr 120MegaPixel Ray Tracing fr statische Szenen betreiben.31Fazit 2Schnelle Beschleunigungsstruktur-Updates sind lsbar (insb. mit schnellerer HW)

-> 2025 wahrscheinlicher Umstieg auf Raytracing (eher frher wegen Realismus-Programmieraufwand durch Hersteller)

20.9.201232 / 35Weitere Schlussfolgerungen sind.

Die Beschleunigungsstrukturen stellen fr dynamische Szenen einen wichtigen Eckpunkt dar. Die Berechnungsdauer der Strukturen mag heutzutage noch gro im Verhltnis zu der Berechnungsdauer der Anzahl der notwendigen Rays sein. Doch mit wachsender Anzahl der Rays, wird die Berechnungsdauer der Struktur vernachlssigbar klein. Somit wird das Problem der dynamischen Szenen von Jahr zu Jahr kleiner.

In Summe entsteht somit der Eindruck, dass sptestens 2025 Ray Tracing mit 120 MegaPixel, also Auflsung des menschlichen Auges, der Zentralprojektion den Rang ablaufen wird. In Anbetracht dessen was die GPU-Hersteller in den letzten 12 Jahren geleistet haben, kann man ihnen auch diesen Techniksprung und eine Neuentwicklung von Hardware speziell fr Raytracing zutrauen. Insbesondere wenn schon in den letzten Jahren der Fokus auf Raytracing von Nvidia selbst gelegt worden ist.32Weiterfhrende Information fr InteressiertePrsentation verfgbar unter Website Prof. Sturmhttp://tamdhu.uni-trier.de/Asysob/Exploring the Use of Ray Tracing for Future Games 2006 - Heiko Friedrich et alOptiX: A General Purpose Ray Tracing Engine Steven Parker et al 2010 - NvidiaRay Tracing Deformable Scenes Using Dynamic Bounding Volume Hierarchies 2007 - Ingo Wald et alSIGGRAPH 28.11.201220.9.201233 / 35Heiko Friedrich et al: Allgemeiner Einstieg in das Thema Raytracing + Probleme + ZukunftsperspektiveOptix: Nvidia verfolgt Raytracing sehr intensiv; Einstieg in dieses FrameworkIngo Wald et al: BVH, das derzeitige Beschleunigungsmodell fr dynamische SzenenSIGGRAPH: Weltbekannte Konferenz rund um Computergrafik und unter anderem natrlich auch wichtige Raytracing-Plattform33Referenzen 1[JS2004] - Realtime Ray Tracing of Dynamic Scenes on an FPGA Chip Schmittler et al[HF2006] - Exploring the Use of Ray Tracing for Future Games Heiko Friedrich et al[SW2006] - RPU: A Programmable Ray Processing Unit for Realtime Ray Tracing Sven Woop et al[DP2009] Quake Wars gets ray traced - Intel[AL2009] - Understanding the Efciency of Ray Traversal on GPUs Aila/Laine Nvidia20.9.201234 / 3534Referenzen 2[IW2007] - State of the Art in Ray Tracing Animated Scenes Ingo Wald et al[SP2010] - OptiX: A General Purpose Ray Tracing Engine Steven Parker et al Nvidia[JC2011] - www.pcper.com/reviews/editorial/John-Carmack-Interview-gPu-Race-Intel-graphics-Ray-Tracing-Voxels-and-more/[DP2012] Experimental CloudbasedRay Tracing Intel

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