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  • PCGH-Interview: Raytracing vs. Rasterizing

    Bevor es 3D-Beschleunigung durch Grafikkarten gab, übernahm die CPU alle nötigen Berechnungen. Dank stark gestiegener CPU-Leistung und Fortschritten im Bereich des Raytracing will Intel sich diese Aufgabe nun zurückholen.

    In einem Interview mit Intels Daniel Pohl und EAs Ralf Kornmann haben wir die beiden gefragt welche Vor- und Nachteile das "neue alte" Verfahren gegenüber der heute üblichen Rasterisierung hat.

    PCGH: Stellst du dich bitte kurz vor: Wer bist du, was machst du und wie bist du dorthin gekommen?


    Daniel Pohl, Interviewpartner der PCGH zum Thema Raytracing Daniel Pohl, Interviewpartner der PCGH zum Thema Raytracing Daniel Pohl: Nachdem ich meine Studien- und Diplomarbeit an der Universität Erlangen in Zusammenarbeit mit der Universität des Saarlandes zum Thema Raytracing für zukünftige Computerspiele beendet und einige Artikel im Internet veröffentlicht hatte, wurde unter anderem Intel auf mich aufmerksam. Anschließend haben wir in der Hauptzentrale von Intel über mein Projekt und die Zukunft der Technologie geredet. Seitdem bin ich als Forscher bei Intel angestellt und fahre mit der Arbeit fort, die ich bereits im Studium begonnen habe. Derzeit arbeite ich an verschiedenen Themen, welche für zukünftige Computerspiele mit Raytracing von Relevanz sind.

    Ralf Kornmann: Neben meiner Tätigkeit als Softwareentwickler wurde ich von Microsoft für meine Bemühungen rund um Direct X mit einem "MVP Award" ausgezeichnet.

    Zurzeit arbeite ich als Teil des Teams von EA Phenomic an
    einem bisher noch nicht angekündigten Computerspiel. Ich bin unter anderem mitverantwortlich für die Direct-3D-Integration, die Physikimplementierung und die Multicore-Optimierungen.


    PCGH: Was sind die grundsätzlichen Vorteile von Raytracing gegenüber Rasterisierung und vice versa?


    Daniel Pohl: Wir erreichen eine nahezu perfekte lineare Leistungsskalierung mit der Anzahl der CPU-Kerne. Lichtreflexionen und -brechungen sind einfacher zu programmieren, pixelgenau, effizienter bei der Berechnung und quasi automatisch physikalisch korrekt.

    Es gibt dabei keine Begrenzung durch Texturauflösung wie bei der Rasterisierung. Mit dem gleichen Code sind Spiegel-in-Spiegel-Effekte möglich. Raytracing ermöglicht einfach zu programmierende Schatten ohne störende Aliasing-Effekte. Detailliertere Welten sind dank logarithmischem Einfluss der Geometrie auf die Performance im Vergleich zum linearen Einfluss bei der Rasterisierung möglich.

    Außerdem ist Raytracing auch für eine effiziente und exakte Kollisionserkennung verwendbar.

    Ralf Kornmann: Beim Einsatz von Rasterisierungstechnologien zur 3D-Darstellung kann man auf langjährige Erfahrungen zurückgreifen. Auch die APIs (Open GL, Direct 3D) haben sich im Laufe der Zeit genau wie Hardware den Bedürfnissen der Entwickler angepasst.

    Neben diesen Vorteilen in der Nutzung sind Rasterisierer im Bezug auf Bandbreite und Speicherverbrauch sehr effektiv. Die immer größere Datenmenge, die zwischen den Per-Vertex- und Per-Pixel-Operationen anfällt, kann hier vollständig innerhalb des Chips abgehandelt werden.

    Nicht unerwähnt bleiben sollte die einfache Realisierung von Operationen im sogenannten Screenspace, welche zunehmend zur performanten Darstellung von globalen Beleuchtungstechniken (HDRR; Ambient Occlusion) genutzt werden.


    PCGH: Intel startet gerade eine große Raytracing-Offensive. Warum sind Raytracer auf lange Sicht sinnvoller als die verbreiteten herkömmlichen Rasterisierer oder auch nicht?


    Daniel Pohl: Neben den oben erwähnten, prinzipiellen Stärken des Raytracing wird es einen gewissen Punkt geben, ab dem die gleiche Spielszene mit Raytracing effizienter berechnet werden kann als mit dem Rasterisierungsverfahren.

    Ist diese Einstiegsschwelle einmal überschritten, arbeitet Raytracing schneller als herkömmliche Rasterisierung und wir können höhere Fps erreichen.

    Ralf Kornmann: Aus dem gleichen Grund, der ursprünglich zur Entwicklung dedizierter Rasterizer-Hardware geführt hat. Der Verzicht auf die Flexibilität einer CPU erlaubt einen effektiveren Einsatz von Transistoren und Energie.

    Dies gilt auch noch bei der aktuellen Generation von GPUs, die trotz der zunehmenden Flexibilität immer noch einen großen Anteil von spezialisierten Schaltkreisen enthalten.


    PCGH: Schwachpunkte: Rasterisierung leidet an mä­ßiger Skalierung bei hohen Triangle-Counts, Raytracing hat traditionell Schwierigkeiten bei dynamischen Objekten.

    Wie kann man diese Schwächen umgehen, welche Möglichkeiten gibt es, den jeweiligen Flaschenhals zu entlasten?


    Daniel Pohl: Dynamische Objekte stellten nur bis etwa letztes Jahr einen Flaschenhals dar. Derzeit gibt es für diese Hürde drei Lösungsansätze:

    1) "Fuzzy KD-Tree": Da die Bewegung der meisten dynamischen Objekte sich nur in einem gewissen Bereich abspielt, kann man dies ausnutzen und die Beschleunigungsstrukturen an diese Dynamiken anpassen.

    2) "KD-Bäume" bzw. "BSP-Bäume": Die Erstellung dieser Bäume kann parallelisiert werden. Diese funktioniert derzeit mit mindestens acht CPU-Kernen recht gut. Tests mit einer höheren Anzahl an Cores stehen noch aus.

    3) "Bounding Volume Hierarchy": Dabei handelt es sich um eine andere Art der Beschleunigungsstruktur, die Dynamiken einfacher zulässt als die beschriebenen KD-Bäume.

    Ralf Kornmann: Vergleicht man Raytracer und Rasterverfahren miteinander, skalieren beide linear mit der Anzahl der Dreiecke. Wobei der Aufwand pro Dreieck bei einem Rasterisierer kleiner ist, da hier nur die tatsächliche Größe berücksichtigt werden muss, während bei einem Raytracer immer die gesamte Zielauflösung zum Tragen kommt.

    Raytracer erreichen die gute logarithmische Skalierung nur bei einer vorsortierten statischen Dreiecksmenge, welche bei Spielen jedoch immer kleiner wird. Beim Rasterverfahren optimiert man die Skalierung durch das sogenannte "Culling". Dabei wird auf verschiedenen Detailstufen die weitere Berechnung vorzeitig abgebrochen.

    Aktuelle GPUs unterstützen dies auf Dreicksebene. Die Objektebene muss weiterhin von der CPU übernommen werden. Hier könnten zukünftige Chips noch weitere Verbesserungen bringen.


    PCGH: Stellt Intels Larrabee-Projekt (ab 2009) eine ernsthafte Gefahr für Rasterizer-Grafikkarten dar?


    Daniel Pohl: Zu Larrabee und zum Zeitpunkt des Erscheinens gibt es von meiner Seite leider derzeit keine neuen Informationen zu offenbahren.

    Ralf Kornmann: Das wird stark davon abhängen, wie gut sich die Hardware beim Einsatz von auf Rasterisierung aufbauender Software schlägt. Nur wenn Intel auch dort punktet, kann es einen ausreichenden Marktanteil erreichen, der die Entwicklung von Raytracing-Software begünstigt.

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Neue Technologien
Raytracing-Spezial
Bevor es 3D-Beschleunigung durch Grafikkarten gab, übernahm die CPU alle nötigen Berechnungen. Dank stark gestiegener CPU-Leistung und Fortschritten im Bereich des Raytracing will Intel sich diese Aufgabe nun zurückholen.
http://www.pcgameshardware.de/Neue-Technologien-Thema-71240/News/Raytracing-Spezial-638477/
03.04.2008
raytracing
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