CUDA下的光线追踪

Question

CUDA下的光线追踪

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我目前正在实现一个光线追踪器。由于光线追踪非常计算密集，而且我也打算研究CUDA编程，所以我想知道是否有人有将两者结合的经验。我无法确定计算模型是否匹配，我想知道会发生什么。我觉得它们并不完全是天作之合，但与没有东西相比，一个体面的速度增加总是更好的。

- Morten Christiansen

这里提供一个指针，指向我的开源、可移植（Windows/Linux）GPL CUDA光线追踪器实现。链接为http://users.softlab.ntua.gr/~ttsiod/cudarenderer-BVH.html。 - ttsiodras

2个回答

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可以做到，已经做到了，并且是射线追踪和Cuda专家之间的热门话题。我建议您先浏览 http://www.nvidia.com/object/cuda_home.html。

但这基本上是一个研究问题。做得好的人正在从中获得同行评审的研究论文。但是在目前阶段，“做得好”仍然意味着最佳GPU/Cuda结果与CPU/多核/SSE的最佳解决方案大致竞争。因此，我认为现在认为使用Cuda将加速光线追踪器还为时过早。问题在于，虽然射线追踪是“尴尬地并行”（正如他们所说），但它不是那种能够直接映射到GPU的“固定输入和输出大小”的问题--你需要树、堆栈、动态数据结构等。它可以用Cuda/GPU完成，但有点棘手。

如果您是第一次尝试光线追踪并且只是想学习，我建议避免使用Cuda——它需要更长的开发时间，而且您可能无法获得很好的速度。如果您是有一定经验的Cuda程序员，并寻找具有挑战性的项目，而光线追踪只是一件有趣的事情去学习，那么请务必尝试在Cuda中完成。如果您正在制作商业应用程序并希望获得竞争速度优势，那么现在可能是个赌博......您可能会获得性能优势，但代价是更困难的开发和对特定硬件的依赖。

请在一年后回来查看，随着另一代或两代GPU速度、Cuda编译器开发和研究社区经验的发展，答案可能会不同。

- lgritz

我有一个小项目，正在构建我的第一个光线追踪器，以前从未进行过任何CUDA工作，因此我无法做出任何伟大的事情。但在接下来的一年中，我将使用GPGPU技术进行工作。这使我熟悉CUDA，并想知道我可以在多大程度上使用这些知识。 - Morten Christiansen

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你确定这是一个尴尬的并行问题吗？解决方案是找到下一个反射对象和材料处理的变化（正如Matt J所指出的），似乎会显著破坏并行性。但如果我错了，请纠正我。 - user334911

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可以查看英文原文，
原文链接

- Matt J · Accepted Answer

在CUDA中需要特别警惕的一点是，核函数代码中分歧的控制流会极大地降低性能，这是由底层GPU硬件的结构所决定的。GPU通常有着高度同步的数据并行工作负载，其控制流高度一致（即您有数百万像素，每个像素（或至少是大部分像素）都将使用相同的着色程序进行操作，甚至通过所有分支的方向都相同）。这使得它们能够进行一些硬件优化，例如只为每组32个线程拥有单个指令缓存、获取单元和解码逻辑。在理想情况下（这在图形处理中很常见），它们可以在同一周期内将相同的指令广播到所有32个执行单元集合中（这被称为SIMD，即Single-Instruction Multiple-Data）。它们可以模拟MIMD（Multiple-Instruction）和SPMD（Single-Program），但当流多处理器（SM）中的线程分歧（从一个分支中采取不同的代码路径）时，问题逻辑实际上会在每个代码路径之间进行周期性切换。你可以想象，在最坏的情况下，即所有线程都处于不同的路径上时，你的硬件利用率将下降32倍，有效地消除了GPU相对于CPU的任何优势，特别是考虑到从CPU到GPU的数据集传输所需的开销。尽管如此，光线追踪在某种意义上是数据并行的，但即使是相对简单的场景，其控制流也会有很大差异。即使您设法将一堆紧密排列的光线映射到同一个SM上，您对于初始反弹所拥有的数据和指令局部性也不会持续太久。例如，想象一下所有32条高度协调的光线弹跳球体后，它们将按照相当不同的方向前进，并且可能会撞击由不同材料制成、具有不同光照条件等物体。每个材料和光照、遮挡等条件都具有其自己的指令流（用于计算折射、反射、吸收等），因此即使在SM的大部分线程上运行相同的指令流也变得非常困难。在当前光线追踪代码的技术水平下，这个问题会使GPU利用率降低16-32倍，这可能会导致性能不能满足您的应用要求（尤其是实时应用，例如游戏）。尽管如此，与CPU相比，它仍然可能更适合用于渲染农场。

现在研究社区正在研究一类新兴的MIMD或SPMD加速器。我们可以将这些作为软件实时光线追踪的逻辑平台。

如果您对涉及的算法以及如何将其映射到代码感兴趣，请查看POVRay。还要了解光子映射技术，这是一种比光线追踪更接近于表现物理现实的有趣技术。