PixelFlow. Hans-Erik Grönlund 46549W

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tietoliikenneohjelmistojen ja multimedian laboratorio T Tietokonegrafiikan seminaari Kevät 2003: Reaaliaikainen 3D-grafiikka PixelFlow Hans-Erik Grönlund 46549W

2 PixelFlow Hans-Erik Grönlund TKK, Tietoliikenneohjelmistojen ja multimedian laboratorio Tiivistelmä PixelFlow-arkkitehtuuri eroaa suuresti tavallisesta PC- grafiikka -arkkitehtuurista. Sen sijaan, että käytetään yhtä grafiikkaprosessoria, järjestelmä koostuu useista renderöijistä, joista jokainen renderöi vain pienen osan ruudun primitiiveistä. Lopullinen kuva joka näky ruudulla luodaan kuvakompositiona kaikkien renderöijien osakuvista. PixelFlow-arkkitehtuurin toinen tärkeä ominaisuus on skaalautuvuus. Järjestelmään voi lisätä renderöijiä tarpeen vaatiessa ja sen suorituskyky skaalautuu melkein lineaarisesti laitteisiin käytetyn rahan kanssa. Näin päästään erittäin suuriin nopeuksiin, satoihin miljooniin polygoneihin sekunnissa. 1 JOHDANTO PixelFlow on koekäyttömielessä rakennettu nopea grafiikkajärjestelmä, jonka tarkoituksena on demonstroida kuvakompositioarkkitehtuuria ja sen etuja, sekä toimia tutkimusalustana reaaliaikaisen ja korkeatasoisen 3D-grafiikan algoritmeille ja sovelluksille. PixelFlow käyttää hyväkseen kuvakompositioksi kutsuttua oliorinnakkaisuutta saavuttaakseen nopeutensa. Järjestelmässä on joukko renderöijiä, joista jokainen laskee rinnakkaisesti kokonaisen kuvan sille annettujen primitiivien perusteella. Jokainen renderöijä käsittelee vain pientä osaa koko kuvan primitiiveistä. Kaikkien renderöijien kuvat yhdistetään tämän jälkeen pikselien näkyvyyden perusteella reaaliaikaisesti kuvakompositioverkossa (image-composition network), jotta saadaan lopullinen kuva, joka näkyy ruudulla. PixelFlow on hyvin skaalautuva. Enemmän nopeutta saadaan lisäämällä enemmän renderöijiä järjestelmään. Yksinkertaisimmillaan järjestelmässä on yksi pöytäkone ja muutamia renderöijiä yhdessä kehikossa, jolloin renderöidään toistakymmentä miljoonaa polygonia sekunnissa. Tästä voidaan rakentaa laajempia järjestelmiä, joissa on useita kehikkoja, joista jokaisessa kehikossa on maksimissaan yhdeksän renderöijää. Näin päästään jopa satoihin miljooniin polygoneihin sekunnissa. Kaikki tässä paperissa mainitut PixelFlown nopeudet ja suorituskykylaskennat perustuvat vuoden 1997 prototyyppiin. Tämä paperi perustuu suurimmaksi osaksi Steven Molnarin väitöskirjaan Image-composition architectures for real-time image generation (Molnar, 1991), Steven Molnarin, John Eylesin ja John Pultonin paperiin PixelFlow: high-speed rendering using image composition (Molnar et al., 1992), sekä John Eylesin et al. paperiin PixelFlow: the realization (Eyles et al., 1

3 1997). Muut viitteet (Olano & Lastra, 1998, Lastra et al., 1995, Fuchs et al., 1989 ja Dobkin et al., 1996) ovat lähinnä tausta- ja lisämateriaalia. 1.1 Historia Voidaan sanoa, että PixelFlow-järjestelmän historia alkoi vuonna 1986, kun Pixel-Planes 4 - järjestelmä rakennettiin. Se oli täysimittainen grafiikkajärjestelmän prototyyppi, joka pystyi renderöimään Gouraud-varjostettua, z-puskuroitua polygonia sekunnissa ja oli näin ollen oman aikansa nopeimpia järjestelmiä. Pixel-Planes 4 oli käytössä vuoteen Pixel-Planes 4:n jälkeen tuli Pixel-Planes 5 -prototyyppi, jota alettiin suunnitella vuonna 1987 ja joka valmistui 1990 (Fuchs et al., 1989). Pixel-Planes 5 pysyi käytössä vuoteen Se oli interaktiiviseen 3D-grafiikkaan tarkoitettu multicomputer. Se käytti Intelin i860-arkkitehtuuriin perustuvia prosessoreita ja Pixel-Planes 4:ssä käytettyjä EMC-siruja (logic-enhanced memory chip). Tietoverkkona käytettiin 5 Gb/s token ring -vuoroverkkoa. Pixel-Planes 5 pystyi renderöimään yli 2 miljoonaa Phong-varjostettua polygonia sekunnissa, mikä oli huomattava parannus Pixel-Planes 4:een. PixelFlow-järjestelmän suunnitteleminen alkoi vuonna Steven Molnar luettelee väitöskirjassaan (Molnar, 1991) seuraavaa viisi tärkeintä päämäärää PixelFlow-järjestelmälle: Skaalautuva, jotta päästäisiin erittäin hyvään suorituskykyyn. Tuki monimutkaisille primitiiveille ja varjostusmalleille. Korkea kuvataajuus (frame rate) ja lyhyt viive (latency). Antialiasointi ja korkea resoluutio. Taloudellisesti ja teknisesti mahdollinen toteuttaa. Tarkoituksena oli suunnitella halpa, hyvin skaalautuva ja erittäin nopea korkeatasoinen grafiikkajärjestelmä. Vuonna 1997 kunnon prototyyppi oli valmis ja vuodesta 1998 Hewlett Packardilla ja University of North Carolinalla on ollut kaksi prototyyppiä käytössään. Lopullinen prototyyppi oli monimutkaisempi, teknisempi ja paljon nopeampi kuin alun perin suunniteltiin 90-luvun alussa. PixelFlow on hyvin skaalautuva, käyttää nopeaa lineaarista tietoverkkoa, jonka nopeus on yli 100 Gb/s, ja pystyy renderöimään satoja miljoonia varjostettuja, teksturoituja, antialiasoituja polygoneja sekunnissa, riippuen renderöijien määrästä, verrattuna 2,5 miljoonaan Molnarin väitöskirjassaan kuvaamassa alkuperäisessä järjestelmässä. PixelFlow-arkkitehtuuria suunniteltaessa kaupalliset tuotteet pystyivät suunnilleen 2 miljoonaan polygoniin sekunnissa. 1.2 Taustaa Tavalliset kaupalliset grafiikkajärjestelmät käyttävät yleensä hyväkseen vain yhtä grafiikkakorttia. Grafiikkakortissa on oma grafiikkaprosessori, joka tekee suurimman osan grafiikan renderöintiin liittyvästä laskennasta. Nykyään haluamme nähdä mahdollisimman realistista 2

4 ja reaaliaikaista grafiikkaa korkeine kuvataajuuksineen ja ilman viivettä. Realistinen grafiikka vaatii antialiasointia, realistista varjostusta sekä realistisia tekstuureja. Tavalliset kaupalliset järjestelmät ovat tehokkaita, mutta eivät välttämättä riitä kaikkein vaativimpiin sovelluksiin. Kun haluamme tuottaa korkeatasoista grafiikkaa eteen tulee pullonkauloja: laskentateho geometrian laskemiseen ei kerta kaikkiaan riitä ja muistiväylän kaistanleveys kuvapuskuriin on riittämätön, eli polygoneja ei pystytä laskemaan riittävän nopeasti eikä niitä saada kuvapuskuriin riittävän nopeasti. Useimmissa käytetyissä korkeatasoisissa arkkitehtuureissa käytetään oliorinnakkaisuutta (object parallelism) geometriaprosessoinnissa, eli eri primitiivit jaetaan tasan monen rinnakkaisen liukulukuprosessorin kesken. Rasterisoinnissa käytetään pikselirinnakkaisuutta (pixel-parallelism), eli puskurimuisti jaetaan moneen rinnakkaiseen osaan, joista jokaisella on oma rasterisointiprosessorinsa. Näin ollen käytettävissä oleva kaistanleveys moninkertaistuu, mutta tämä ei kuitenkaan vähennä jokaisen prosessorin primitiivien lukumäärää, koska suuri osa primitiiveistä vaikuttavat suureen osaan muistiosioista. Tästä johtuen tämä arkkitehtuuri skaalautuu hyvin vain tiettyyn rajaan asti. Jotta päästäisiin parempaan tehokkuuteen on oliorinnakkaisuutta käytettävä läpi koko renderöintiprosessin, sekä rasterisoinnissa että geometriaprosessoinnissa. Tähän löytyy kaksi eri tapaa: ruudun jakaminen pienempiin osiin (screen subdivision) ja kuvakompositio (image composition). Ruudun jakamisessa ruutu jaetaan erillisiin osiin, joista jokaisella on oma rasterisoijansa. Tämä on tekniikka, jota yleensä käytetään kaupallisissa järjestelmissä. Jokainen rasterisoija työstää rinnakkaisesti omaa ruudun osaa ja nämä alikuvat liitetään sitten yhteen jotta saadaan yhtenäinen loppukuva. Tämä tapa on luonnollinen jatko yksinkertaisesta järjestelmästä, jossa on yksi geometriaprosessori ja yksi rasterisoija. Tämä kuitenkin vaatii aika laajaa yhteysverkkoa geometriaprosessorien ja rasterisoijien välillä, koska jokaisella ruudunpäivityksellä jokainen primitiivi pitää lähettää uudestaan verkon yli. Näin ollen skaalautuvuus ei ole rajaton. Kuvakompositiossa idea on sama kuin ruudunjakamisessa, paitsi että sen sijaan, että rasterisoija liitetään tiettyyn ruudun alueeseen se liitetään tiettyihin primitiiveihin, jotka ovat vain pieni osa koko kuvan primitiiveistä. Jokainen rasterisoija laskee kuvan koko ruudulle omien primitiivien perusteella ja näistä kuvista luodaan näkyvyyden perusteella kompositio, joka on sitten lopullinen kuva. Kuvakompositiossa voidaan geometriaprosessorit ja rasterisoijat koota yhteen pareiksi, jotta päästään eroon primitiivien reititinverkosta. Sen sijaan tarvitaan kompositioverkko, jotta eri rasterisoijien pikselit saadaan koottua yhdeksi kuvaksi. Tämä voidaan tehdä binaaripuuna tai putkena. Joka tapauksessa tämä arkkitehtuuri on lineaarisesti skaalautuva, koska kaikki liikenne kompositioverkossa on paikallista naapurirenderöijien välillä ja kompositioverkossa kaistanleveys on vakio riippuen ainoastaan päivitystaajuudesta ja resoluutiosta. PixelFlow-arkkitehtuuri käyttää juuri kuvakompositiota, koska skaalautuvuus on tärkeä. 3

5 2 ARKKITEHTUURI 2.1 Yleiskatsaus PixelFlow on arkkitehtuuri, jonka avulla pystytään luomaan nopeaa reaaliaikaista 3D-grafiikkaa. Tarkoituksena oli kehittää arkkitehtuuri, joka yltäisi ennennäkemättömään suorituskykyyn ja joka käyttäisi realistisia renderöintitekniikoita kuten varjostusta, antialiasointia, varjoja ja teksturointia, jotka kaikki olisivat käyttäjän ohjelmoitavissa. PixelFlow-järjestelmässä on yksi tai useampi kehikko, joista jokaisessa on korkeintaan 9 renderöijää. Jokaisessa renderöijässä on geometriaprosessori (tavallinen liukulukuprosessori) ja rasterisoija. Muutamat renderöintipiireistä toimivat varjostajina. Yksi renderöijä itsessään on jo aika tehokas grafiikkakone. Se pystyy piirtämään 3 miljoonaa Gouraudvarjostettua antialiasoitua polygonia sekunnissa ja suorittamaan monimutkaisia varjostuslaskuja reaaliaikaisesti. Geometriaprosessori suorittaa kaikki primitiivien muunnoslaskelmat ja luo renderöintikomennot rasterisoijalle. Rasterisoija muuntaa primitiivien kuvaukset pikseliarvoiksi ja varjostaja suorittaa monimutkaisia varjostus- ja valaistuslaskelmia. Kuvakompositioverkko yhdistää kaikkien renderöijien rasterisoijat. Lisäksi toinen verkko yhdistää kaikki geometriaprosessorit toisiinsa. Kuvassa 1 on PixelFlown perusarkkitehtuuri. 2.2 Kuvakompositioverkko Kuvakompositioverkko (pipelined image-composition network) on tärkeä osa PixelFlowarkkitehtuuria. Kuvakompositioverkko koostuu compositoreista, jotka yhdistävät kaikkien renderöijien kuvat yhdeksi lopulliseksi kuvaksi. Jokaisessa compositorissa on kaksi sisääntuloa. Se vertaa molempien sisääntulojen pikseleiden näkyvyysarvoja ja lähettää näkyvät pikselit eteenpäin seuraavalle compositorille. Tällainen verkko voidaan rakentaa joko binääripuuna tai putkena. PixelFlow käyttää putkirakennetta, koska se on yksinkertaisempi. Esimerkki PixelFlown putkirakenteesta näkyy kuvassa 2. Kuvakompositioverkon jokaisen linkin kaistanleveys on sama ja vakio, ja se määräytyy kuvataajuuden, resoluution ja jokaisen pikselin datamäärän mukaan. Polygonien määrä kuvassa ei vaikuta kaistanleveyteen. Tämä antaa järjestelmälle sen lineaarisen skaalautuvuuden: mielivaltainen määrä renderöijiä voidaan lisätä järjestelmään ja näin ollen melkein rajattomasti parantaa suorituskykyä. 2.3 Rasterisoijan EMC-muistisirut PixelFlown rasterisoija käyttää samantyyppisiä, mutta parannettuja, EMC-muistisiruja (logicenhanced memory chips) kuin Pixel-Planes 4:ssa ja Pixel-Planes 5:ssa (Fuchs et al., 1989). Rasterisoijassa on iso joukko pikseliprosessoreita ja nopea kuvamuisti, joka näin ollen poistaa perinteisen pullonkaulan rasterisoijan ja muistin välillä. PixelFlown EMC:t ovat nopeita ja mahdollistavat tehokkaan rasterisoijan rakentamisen yhdelle piirilevylle, joka pystyy renderöimään 3 miljoonaa polygonia sekunnissa. 4

6 Kuva 1: PixelFlow-järjestelmän perusarkkitehtuuri. (lähde PixelFlown käyttämillä EMC-siruilla on yksi vakava heikko kohta: prototyyppiä rakennettaessa ei ollut mahdollista toteuttaa piiriä, jolla on tarpeeksi kuvamuistia ruudunkokoiselle kuvalle, esimerkiksi 1280x1024 pikselin resoluutio tarvitsisi muutaman megatavun muistia. Näin ollen PixelFlowssa, kuten aiemmassa Pixel-Planes 5, on pakko käyttää ruudun osittamista ja muodostaa lopullinen kuva monessa vaiheessa. Tämä vähentää suorituskykyä. Jokainen renderöijä joutuu luomaan oman kuvansa monessa vaiheessa pienistä alueista. Jokaisen alueen koko määräytyy sen perusteella kuinka monta näytettä jokaisessa pikselissä on, eli alueiden koot ovat välillä 32x32 ja 64x128 pikseliä, eli muistia on vain 8192 tavua jokaisessa pikseliprosessorissa. Kun jokainen renderöijä on rasterisoinut saman osa-alueen, renderöijät lähettävät rasterisoidut osa-kuvansa kuvakompositioverkkoon synkronisesti muiden renderöijien kanssa ja sieltä edelleen varjostajalle. 2.4 Lykätty varjostus PixelFlow käyttää erillisiä varjostajia ja käyttää tekniikkaa nimeltä lykätty varjostus (deferred shading) (Lastra et al., 1995). Tämän tekniikan ideana on jättää kaikki varjostuslaskelmat mahdollisimman myöhään, jotta vältytään turhalta laskemiselta rasterisoinnissa. Varjostusalgoritmit implementoidaan varjostajissa, jotka sijaitsevat rasterisoijien ja kuvapuskurin välissä. 5

7 RENDERER C RENDERER C RENDERER C RENDERER C Kuva 2: PixelFlow-järjestelmän kuvakompositioverkon putkirakenne. (Kuva kirjoittajan, alkuperäinen lähde Eyles et al., 1997) Kaikki pikselit rasterisoidaan ja yhdistetään kuvakompositioverkossa ennen kuin ne ladataan varjostajiin. Rasterisoijat eivät laske pikseleiden värejä suoraan, vaan ne laskevat pikseleiden attribuutteja, kuten normaalivektoreita ja varjostusattribuutteja. Nämä attribuutit yhdistetään ennen kuin ne lähetetään varjostajaan. Varjostaja tarkistaa pikseleiden teksturointiarvot ja laskee pikseleiden väriarvot. Jos halutaan vielä parempilaatuisia värejä voidaan jokaisen pikselin alinäytteet varjostaa erikseen. Kun varjostukset on tehty lähettää varjostaja pikselit kuvapuskuriin, josta ne sitten päätyvät ruudulle. Kuinka monta varjostajaa tarvitaan riippuu ainoastaan varjostusalgoritmista, kuvan resoluutiosta ja kuvataajuudesta, ei primitiivien määrästä, koska kuvakompositio on jo luotu ennen varjostusta. 2.5 Supersampling-antialiasointi PixelFlow-arkkitehtuuri käyttää antialiasointimenetelmää nimeltä supersampling. Se on yksinkertainen ja yleisesti käytetty menetelmä, jossa jokaisesta pikselistä otetaan monta näytettä. PixelFlow käyttää 4, 8 tai enemmän näytettä per pikseli. Jopa kahdeksan näytettä lasketaan samanaikaisesti, joista jokaisella on omat väriattribuutit ja z-arvot. Compositori suorittaa jokaiselle näytteelle yksinkertaisen z-vertailun ja lähettää oikeat näytteet eteenpäin. Komposition jälkeen kaikki näytteet yhdistetään, jotta saadaan lopullinen kuva. PixelFlown antialiasoinnissa tärkeää on kuvanlaatu ja vaadittu kaistanleveys. Jotta supersamplingissa kuvanlaatu olisi hyvä tarvitaan tarpeeksi monta näytettä jokaista pikseliä kohden. Tämä taas suoraan vaikuttaa siihen, kuinka suuri kaistanleveys tarvitaan kompositioverkossa. Niinkin pienellä määrällä näytteitä kuin 5 per pikseli on kuitenkin alkuperäisessä prototyypissä saavutettu suhteellisen hyvälaatuisia kuvia valitsemalla näytteet ja niiden painotus tarkasti (Molnar et al., 1992). Supersampling valittiin PixelFlow-arkkitehtuuriin koska siihen tarvittava laitteisto on yk- 6

8 sinkertainen ja nopea, ja sillä voidaan helposti valita hyvän kuvanlaadun ja nopeuden välillä. Enemmän tietoa supersamplingista löytyy esimerkiksi David Dobkinin et al. artikkelista Computing the discrepancy with applications to supersampling patterns (Dobkin et al., 1996). 3 LAITTEISTO PixelFlow-järjestelmässä on yksi tai useampi kehikko ja jokaiseen kehikkoon mahtuu 9 renderöijää, maksimimäärä Eylesin mukaan (Eyles et al., 1997) on 256 renderöijää eli 28 kehikkoa. Järjestelmä on rakennettu vaakatasossa olevan keskitason ympäri. Geometriaprosessorit ovat keskitason alapuolella, rasterisointilevyt yläpuolella ja keskitasossa on geometriaverkon ja kuvakompositioverkon kaapelit, sekä kellon johdot ja virtajohdot. Järjestelmä on modulaarinen ja kehikkoja voi lisätä tarpeen vaatiessa. Jokainen piirilevy on kytketty isäntätietokoneeseen käyttäen nopeaa verkkolinkkiä. Renderöijät toimivat sekventiaalisesti ja käsittelevät 64x128 pikselin alueita ruudulta. Rasterisoidut pikselit lähetetään kuvakompositioverkon yli synkronisesti muiden renderöijien kanssa. Varjostajat lukevat pikselit kuvakompositioverkosta ja suorittavat niille teksturointia ja varjostusta, ja lähettävät pikselit edelleen kuvapuskuriin. PixelFlow voi toimia kahdessa perusmoodissa: Välitön moodi (immediate mode). PixelFlown isäntäkoneena toimii rinnakkainen (super)tietokone. Jokainen linkki piirilevyjen ja tietokoneen välillä liitetään omaan yksikköön tietokoneessa. Tietokoneessa pyörii ohjelma, joka laskee primitiivit ja lähettää ne linkkejä pitkin yksiköistä renderöijille. Varattu moodi (retained mode). PixelFlown isäntäkoneena toimii työasema. Renderöijistä tulevat linkit pakataan yhteen väylään ja liitetään tietokoneeseen yhden liitännän kautta. Isäntäkone lähettää näyttölistan kaikille renderöijille ja lataa varjostusmallin varjostajiin. Jokaisen kuvan aikana isäntäkone lähettää komentoja ja parametrejä kaikille renderöijille, jotka laskevat kuvan oman datajoukkonsa perusteella. 3.1 Kuvakompositioverkko Jotta järjestelmä tukisi korkeaa resoluutiota (vähintään 1280x1024 pikseliä), nopeaa kuvataajuutta ja lykättyä varjostusta on kuvakompositioverkon oltava erittäin nopea, kymmeniä gigabittejä sekunnissa. Tämä on saatu aikaan integroimalla compositorit EMC-sirulle ja yhdistämällä naapuri-emc:t toisiinsa. Näin saadaan point-to-point -kommunikointia viereisten piirilevyjen välillä. Jos esimerkiksi halutaan luoda korkealaatuisia kuvia käyttäen Gouraud-varjostusta, supersamplingia ja 30 Hertzin ruudunpäivitystä on kaistanleveyden oltava vähintään 1280x1024 pikseliä * 5 näytettä/pikseli * 48 bittiä/näyte * 30 kuvaa/sekunti = 9.4 Gbittiä/sekunti (Molnar et al., 1992). Lykätty varjostus vaatii vielä 2-3 kertaa enemmän tähän verrattuna, eli 7

9 suunnilleen Gbittiä sekunnissa. Kuvakompositioverkko on 256-bittinen ja 200 MHz kommunikaatioverkko, jonka yli pikselit kulkevat molempiin suuntiin samanaikaisesti. Kaistanleveys on näin ollen 2 * 200 MHz * 256 bittiä = 100 Gbittiä sekunnissa, mikä riittää edellisessä esimerkissä hyvin jopa 60 Hertzin ruudunpäivitykseen ja 16 näytteeseen/pikseli. 3.2 Renderöijät Renderöijän tärkeimmät osat ovat geometriaprosessori ja rasterisoija. Geometriaprosessori muuntaa oman osansa primitiiveistä ruudun koordinaateiksi, järjestelee primitiivit ruudun alueiden mukaan ja lähettää ne rasterisoijalle. Geometriaprosessori on nopea liukulukuprosessori, jossa voi olla yksi tai kaksi keskusyksikköä ja 512 Mtavua muistia. Keskusyksiköt ovat Hewlett-Packardin PA-1800 RISC-prosessoreita, jotka pyörivät 180 MHz nopeudella. Geometriaprosessorilla on Mtavua SDRAM-muistia joka toimii sekä keskusmuistina että FIFO-jonona, kun dataa puskuroidaan rasterisoijalle. Rasterisoija koostuu PE:stä (processing element). Nämä kuvataan erisuuruisille ruudun alueille riippuen siitä, montako näytettä jokaisessa pikselissä on: 1 näyte, alueen koko 128x64 pikseliä; 4 näytettä, 32x64; 8 näytettä, 32x32. Rasterisoija on implementoitu käyttäen 32 PixelFlow EMC -sirua. Jokaiseen EMC-siruun kuuluu 256 PE:tä ja jokaisella PE:llä on 384 tavua paikallista muistia. 3.3 Varjostajat Varjostaja, joka sekin oikeastaan on renderöijä, koostuu geometriaprosessorista ja rasterisoijasta. Varjostajan geometriaprosessori ei tee muuta kuin lähettää varjostuskomentoja eteenpäin rasterisoijalle. Rasterisoija laskee valo- ja varjostusmalleja jokaiselle tietyn alueen pikselille rinnakkaisesti. Compositori lataa kuvakomposition ja lähettää varjostetut pikselit eteenpäin kompositioverkon yli (ilman kompositiota) kuvapuskuriin. 3.4 Kuvapuskuri Kuvapuskuri (frame buffer) on myös melko samanlainen kuin renderöijä, siihen on vain lisätty videokortti, josta kuva lähetetään ruudulle. Kuvapuskuripiiri on itsessään aika tehokas itsenäinen grafiikkajärjestelmä, koska siinä on kaikki peruskomponentit kuten geometriaprosessori ja rasterisoija. 4 OHJELMISTO Ohelmoijan rajapinta PixelFlow-järjestelmään on OpenGL-kirjasto, jossa on laajennukset jotka tukevat PixelFlown arkkitehtuuria ja parannettuja valaistus- ja varjostusominaisuuksia. PixelFlowlle on myös kehitetty oma varjostuskielensä, PfMan. PixelFlown ohjelmisto koostuu kahdesta osasta, renderöinnistä ja ohjauksesta. Ensin jokaiselle renderöintiyksikölle annetaan tehtävä: joko se on renderöijä, varjostaja tai kuvapuskuri. Renderöijissä ohjelmisto jakaa primitiivit ryhmiin ruudun alueiden perusteella, sekä 8

10 muuntaa primitiivejä ja tuottaa rasterisointi- ja varjostuskomentoja rasterisoijalle. Varjostajissa ohjelmisto tuottaa ohjeita pikseleiden varjostukseen, teksturointiin ja valaistukseen. Kuvapuskurissa ohjelmisto ohjeistaa pikseliarvojen muistiintallentamista ja edelleen ruudulle lähettämistä. Ohjausohjelma pitää huolen siitä, että eri alueiden operaatiot tehdään oikeassa järjestyksessä, sekä koordinoi ja synkronoi jokaista renderöijää. Myös kuvakompositioverkon liikennettä synkronoidaan, jotta se olisi mahdollisimman tehokasta. Perusalgoritmi kuvan laskemiseen sisältää seuraavat neljä vaihetta: 1. Jokaisen renderöijän geometriaprosessori muuntaa oman osansa primitiiveistä ruudun koordinaateiksi ja järjestää ne ryhmiksi 64x128-pikselin suuruisten ruudun alueiden mukaan. 2. Renderöijä käsittelee jokaisen alueen yksi kerrallaan. Rasterisoija laskee yhden alueen primitiivien pikseliarvot ennen kuin siirtyy seuraavaan alueeseen. 3. Kun kaikki renderöijät ovat suorittaneet vaiheen 2 yhdelle alueelle, alue yhdistetään kuvakompositioverkossa ja tallennetaan yhteen varjostajista. Varjostajaa valittaessa käytetään round-robin -menetelmää, eli jokainen varjostaja saa joka n:n alueen käsiteltäväkseen. 4. Vaiheet 2 ja 3 toistetaan jokaiselle näytteelle ja jokaiselle ruudun alueelle. 5 SUORITUSKYKY Kuvakompositio antaa kaksi etua verrattuna muihin arkkitehtuureihin: se on lineaarisesti skaalautuva ja sen ohjelmoiminen on yksinkertaista. PixelFlowssa melkein jokainen komponentti on käyttäjän ohjelmoitavissa. Mielivaltainen määrä renderöijiä voidaan lisätä järjestelmään, ja skaalautuvuus on lineaarista, koska kompositioverkossa liikkuu vain paikallista dataa ja kaistanleveys on vakio. Koska renderöijät laskevat osakuvansa itsenäisesti, ne vaativat vain vähän synkronointia. Kuvakompositiolla on myös huonot puolensa. Renderöijien välillä on koko ajan paljon kommunikointi, mikä vaatii suurta kaistanleveyttä. Vaikkakin kaistanleveys on vakio, täytyy verkon siirtää jokainen pikseli jokaisessa ruudunpäivityksessä ja jokaisen pikselin mukana näkyvyys- ja väritietoja. Toiseksi, jokainen renderöijä voi vaatia jopa kokonaisen kuvan suuruisen puskurimuistin, jos koko kuva puskuroidaan ennen kompositiota. PixelFlow-järjestelmän suorituskyvyn määrää kolme asiaa (Eyles et al., 1997): 1. Aika joka vaaditaan renderöijiltä muuntaa ja rasterisoida ruudun alueet. Jokaisen alueen muuntaminen ja rasterisoiminen riippuu polygonien määrästä jokaisessa alueessa ja renderöintialgoritmista. Yksi rasterisoija pystyy käsittelemään suunnilleen 2,8 miljoonaa Gouraud-varjostettua polygonia sekunnissa tai 1,4 miljoonaa Phongvarjostettua teksturoitua polygonia sekunnissa. Lisäämällä renderöijiä jokaisen renderöijän primitiivimäärä laskee ja järjestelmän nopeus kasvaa. 9

11 2. Aika joka vaaditaan varjostajilta varjostaa ja teksturoida pikselit. Varjostukseen tarvittava aika riippuu varjostus- ja teksturointialgoritmista. Lisäämällä varjostajien määrää vähennetään jokaisen varjostajan käsittelemää aluemäärää ja täten kuvataajuus kasvaa (resoluution ollessa 1280x1024 ja alueen koko 64x128 on jokaisessa kuvassa 160 aluetta). 3. Aika joka vaaditaan kuvakompositioverkolta yhdistää eri alueet. Jokaisen alueen yhdistämiseen tarvittava aika riippuu ainoastaan siitä, kuinka paljon dataa pikseliattribuutit sisältävät. Tietyt tekijät voivat hidastaa suorituskykyä. Koska PixelFlow käyttää ruudun osittamista, erityisesti isot primitiivit voivat ylittää alueiden rajoja ja näin ollen samat primitiivit käsitellään monessa alueessa. Primitiivit voivat myös kasaantua tiettyihin ruudun alueisiin tietyille renderöijille. Tämä johtaa siihen, että joidenkin renderöijien rasterisointiaika kasvaa verrattuna muihin. Puskuroinnilla tämä voidaan vähentää, mutta ei poistaa kokonaan. Ja koska primitiivit pitää ryhmitellä ruudun alueiden mukaan, tämä hidastaa renderöintiä. Simulaatioiden avulla (Molnar et al., 1992) on pystytty näyttämään, että järjestelmän suorituskyky skaalautuu lineaarisesti käytettyjen renderöijien määrän kanssa. Löytyy myös tietty yläraja renderöijien määrälle, jolloin polygonien määrä ei enää kasva. Tämä on suoraan suhteessa datajoukon suuruuteen: mitä vähemmän primitiivejä, sitä vähemmän renderöijiä tarvitaan rajan saavuttamiseksi. Tämä raja tulee vastaan kun kuvakompositio ja/tai varjostus vievät enemmän aikaa kuin rasterisointi. Rajan alapuolella renderöijien lisääminen lisää polygonien määrää, rajan yläpuolella se ei enää auta, koska varjostus ja/tai kuvakompositioverkko ovat liian hitaita. Vuoden 1997 prototyypissä yksi renderöijä pystyi melkein 3 miljoonaan polygoniin sekunnissa. Renderöijien maksimimäärä on 256, joten järjestelmän teoreettinen maksimisuorituskyky oli yli 700 miljoonaa polygonia sekunnissa! Vuonna 1997 käytössä oli ainoastaan muutama renderöijä ja Hewlett-Packardin tavoite oli päästä 100 miljoonaan polygoniin. Tätä kirjoitettaessa ei ole selvää kuinka pitkälle PixelFlow on kehitetty, mutta selvää on että se on nopea arkkitehtuuri. PixelFlown suorituskykyä voidaan verrata tämän päivän markkinoiden nopeimpiin kuuluviin kaupallisiin pelikäyttöön tarkoitettuihin grafiikkakortteihin. Ne ovat perinteisiä kortteja joissa on yksi grafiikkaprosessori ja 128 Mt tai jopa 256 Mt kuvamuistia. Parhaimmat grafiikkakortit pystyvät renderöimään parisataa miljoonaa polygonia sekunnissa. Tämä on aika huikea määrä, mutta jo 6 vuotta sitten PixelFlow pystyi teoreettisesti parempaan, mikä on luonnollista kun käytössä on monta renderöijää yhden kortin sijasta. 6 YHTEENVETO PixelFlow on ensimmäisiä grafiikkajärjestelmiä, joka käyttää kuvakompositiota ja arkkitehtuuria, jossa on monta renderöijää, joita voi lisätä tarpeen vaatiessa. PixelFlow on lineaarisesti skaalautuva arkkitehtuuri, lisäämällä renderöijiä suorituskyky kasvaa lineaarisesti. Järjestelmää voidaan käyttää tavallisen pöytäkoneen kanssa, jolloin se on suhteellisen halpa mutta kuitenkin nopea. Supertietokoneen kanssa ja kymmenillä renderöijillä järjestelmää voi käyttää erittäin vaativiin sovelluksiin. Esimerkiksi armeija voisi käyttää tällaista realisti- 10

12 siin simulaatioihin tai elokuvayhtiöt erikoistehosteisiin. Miten PixelFlow-arkkitehtuuri on kehittynyt sitten 1998 on kirjoittajalle epäselvää. Ainakin muutama taho oli kiinnostunut siitä ja Hewlett-Packard osti oikeudet omaan prototyyppiin. Hewlett-Packard oli kiinnostunut käyttää PixelFlow-arkkitehtuuria myös kaupallisissa tuotteissa. PixelFlowssa on myös omat heikkoutensa, mutta joka tapauksessa PixelFlown erilainen arkkitehtuuri on kiinnostava ja suorituskykyinen, erityisesti siksi että se on niin skaalautuva. Tietotekniikkalaitteiston kehittyessä (prosessori-, muisti-, väylänopeudet jne. kehittyvät kaiken aikaa) voidaan PixelFlown kanssa päästä vielä parempiin suorituksiin. PixelFlowta suunniteltaessa puhuttiin kymmenistä miljoonista polygoneista sekunnissa, prototyypin ollessa valmis jo sadoista miljoonista. Koska päästään 1 miljardiin polygoniin sekunnissa? VIITTEET Dobkin David P., Eppstein David, & Mitchell Don P Computing the discrepancy with applications to supersampling patterns. ACM Transactions on Graphics (TOG), 15(4), Eyles John, Molnar Steven, Poulton John, Greer Trey, Lastra Anselmo, England Nick, & Westover Lee PixelFlow: the realization. Pages of: Proceedings of SIG- GRAPH 97/Eurographics workshop on Graphics hardware, vol. 31. Los Angeles, California. Fuchs Henry, Poulton John, Eyles John, Greer Trey, Goldfeather Jack, Ellsworth David, Molnar Steve, Turk Greg, Tebbs Brice, & Israel Laura Pixel-planes 5: a heterogeneous multiprocessor graphics system using processor-enhanced memories. Pages of: Proceedings of SIGGRAPH 89, vol. 23. Lastra Anselmo, Molnar Steven, Olano Marc, & Wang Yulan Real-time programmable shading. Pages 59 ff. of: Proceedings of the 1995 symposium on Interactive 3D graphics. Monterey, California. Molnar Steven, Eyles John, & Poulton John PixelFlow: high-speed rendering using image composition. Pages of: Proceedings of SIGGRAPH 92, vol. 26. Chicago, Illinois. Molnar Steven Edward Image-composition architectures for real-time image generation. Ph.D. thesis, University of North Carolina at Chapel Hill. Olano Marc, & Lastra Anselmo A shading language on graphics hardware: the pixelflow shading system. Pages of: Proceedings of SIGGRAPH 98, vol. 32. Orlando, Florida. 11