Parallel Rendering: Methods Based on Sort-First and Sort-Last

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1 Parallel Rendering: Methods Based on Sort-First and Sort-Last Marcelo Urbano Pereira Centro de Matemática, Computação e Cognição Universidade Federal do ABC Santo André, Brasil. marcelo.urbano@ufabc.edu.br Fernando Teubl Ferreira Centro de Matemática, Computação e Cognição Universidade Federal do ABC Santo André, Brasil. Abstract Computer Graphics computing is an area that is in constantly evolution. Traditionally, the use of multicore graphics processors are expensive and limited to large research centers. The parallel rendering technique based on PC cluster, using intercommunication between graphics nodes to render models creates scalable distributed rendering system with high performance. The proposal of this article is to study parallel rendering methods such as Sort-first and Sort-Last. This article will present a comparative approach of these techniques. Keywords component; Graphic Computing; Parallel Rendering; Sort-First; Sort-Last. I. INTRODUÇÃO A Computação Gráfica é uma área da Computação que está em constante evolução. Por mais rápido que seja a evolução do hardware, os aplicativos gráficos sempre necessitarão de hardwares mais poderosos para prover uma imagem com melhor qualidade. Esse crescimento se deve pelas demandas das aplicações de Realidade Virtual, Simuladores, Visualização cientifica, Jogos, entre outros. Tradicionalmente, visualizar modelos gráficos complexos exige hardwares caros, o que restringe tais práticas em poucos centros de pesquisas. Por outro lado, o desempenho gráfico e processamento dos computadores pessoais (PCs) estão em constante evolução [1]. As técnicas de renderização paralela [2] baseada em aglomerados de PCs conectados por uma rede de intercomunicação podem trabalhar de modo cooperativo com o objetivo de processar modelos complexos de forma distribuída. Esta prática pode proporcionar alta capacidade de processamento gráfico com um custo reduzido se comparar com sistemas gráficos centralizados, conforme abordado por Molnar [3]. A proposta desde artigo é apresentar um estudo sobre os métodos de renderização paralela tipo Sort-first e Sort-Last. O artigo esta organizado da seguinte forma: a Seção 2 mostra os conceitos consolidados sobre a renderização paralela que guiaram este trabalho. A seção 3 detalha a arquitetura do método Sort-First e apresenta alguns trabalhos relacionados. A seção 4 detalha o método Sort-Last, e também apresenta trabalhos relacionados. A seção 5 realiza consideração sobre as duas técnicas, apresentando uma abordagem comparativa e um algoritmo híbrido com a utilização dos métodos juntos. Por fim, a seção 6 conclui este artigo. II. RENDERIZAÇÃO PARALELA A renderização gráfica é um trabalho computacionalmente intensivo, e tem como principal objetivo gerar imagens virtuais de alta qualidade em um curto intervalo do tempo, o que possibilita aplicações interativas e de tempo real. Molnar [1] mostra que as demandas de aplicações gráficas são amplas, tais como: visualização científica, CAD, Simulação de Veículos e Realidade Virtual. Tais aplicativos podem exigir centenas de Mflops de desempenho e gigabytes por segundo de largura de banda de memória, muito além da capacidade de uma simples unidade de processamento. O paralelismo computacional têm se mostrado uma tática importante para a construção de sistemas gráficos de alto desempenho. O paralelismo pode ser visto de diversos modos. Molnar [1] cita exemplos de paralelismo: funcional (pipelining), que pode executar rapidamente cálculos críticos; paralelismo de dados, que permitir resultados para serem computados de uma vez; e paralelismo de objeto e por pixel ou porção da tela (paralelismo de pixel ou imagem). Molnar [1] ainda demonstra de maneira simplificada o uso de pipeline para renderização gráfica, que consiste em duas partes principais: o processamento geométrico (transformações, clippings, luz, dentre outros) e a rasterização (scan-conversion, shading, e visibilidade). Este pipeline é demonstrado na fig. 1. O processamento geométrico pode ser paralelizado se atribuir a cada processador um subconjunto de objetos na cena, conhecido como primitivas. Na rasterização, o paralelismo pode ser obtido ao atribuir para cada processador uma porção dos cálculos de pixel, como apresentado por Molnar [1]. A tarefa da renderização é calcular o efeito de cada primitiva em cada pixel. Devida a natureza arbitraria da modelagem e das transformações de visões, uma primitiva pode cair em qualquer lugar, dentro ou fora da tela. Molnar et al. [1] apresenta um sistema de classificação baseado no ponto do pipeline de renderização no qual é realizado o mapeamento entre o espaço do objeto e o espaço da imagem. Podemos entender a renderização como um problema de primitivas de sorting para a tela. 103

2 renderizador apropriado, que executará o restante do processamento geométrico e dos cálculos de rasterização para essas primitivas. Fig. 1. Pipeline gráfico em um sistema completamente de renderização paralela, figura criada com base em Molnar [1]. Para sistemas que utilizam renderizadores completamente paralelos, o sort envolve a redistribuição de dados entre processadores. A responsabilidade para primitivas e pixels é distribuída. A localização deste sort determina a estrutura resultante no sistema de renderização paralela. Em geral, o sort pode ser aplicado em qualquer parte do pipeline de renderização: pode ser aplicado durante o processamento geométrico (Sort-First[1,4]); entre o processamento geométrico e a rasterização (Sort-Middle[1]), que não será abordado neste trabalho; ou durante a rasterização (Sort-Last[1,5]). O Sort-First diz respeito à redistribuição das primitivas antes dos seus parâmetros de espaço de tela ser conhecidos. Já no Sort-Last a redistribuição se refere aos pixels, amostras e fragmento de pixels. Nas próximas seções iremos detalhar dois métodos mais utilizados em sistemas de renderização paralelo o Sort-First e Sort-Last. III. SORT-FIRST O Sort-First tem o papel de distribuir primitivas no início do pipeline da renderização, durante o processamento geométrico, para os processadores poderem fazer os cálculos de renderização restantes, mostrada na fig. 2. Molnar [1] apresenta a arquitetura do Sort-First que consiste em dividir a tela em regiões disjuntas de modo que cada processador (renderizador) se torna responsável por todos os cálculos de renderização de suas respectivas regiões. Na técnica de Sort-First, pode-se atribuir primitivas para os renderizadores de forma aleatória: cada renderizador faz transformações suficientes para determinar em qual região ou regiões cada primitiva cairá. Geralmente é computado um bounding box (estrutura delimitadora) do espaço de tela da primitiva. Este processo é chamado de pré-transformação e pode ou não envolver especificamente transformações na primitiva. Em alguns casos, a primitiva pode cair na região da tela de renderizadores. Em outros casos, podem situar-se na própria região em que reside. Deste modo, é necessário que a imagem seja redistribuída por uma rede de comunicação para o Fig. 2. Sort-First - figura criada com base em Eilemann [6]. As distribuições das primitivas no início do processo de renderização é a característica do Sort-First. Molnar [1] salienta que o processo envolve conjuntos de custos operacionais (overhead), desde que o desempenho de alguns processamentos geométricos estejam em renderizadores errados. Os resultados desses cálculos precisam ser recomputados por novos renderizadores. O Sort-First requer muito menos comunicação de largura de banda do que as outras abordagens se na primitiva for aplicada a técnica de Tessellated (a técnica de Tesselatte decompõe primitivas grandes em primitivas menores, tipicamente usada em polígonos ou malhas de polígonos para gerar maior definição e qualidade na primitiva). Correa [7] mostra o uso do Sort-First e sistema de aglomerados de PCs. Correa mostra que o Sort-First age durante o processamento geométrico, após um estagio de prétransformação que determina em qual bloco na tela cada primitiva se localizara. O sistema com a arquitetura Sort-First apresentou um bom desempenho, o que permitiu renderizar modelos grandes e de forma interativa em tempo real, como visto na fig. 3. Fig. 3. Modelo de planta urbana usada no trabalho de Correa [7], usando 13 milhões de faces de triângulos. 104

3 Abraham [8] mostra em seu trabalho o uso de aglomerados baseado em PCs para melhorar o desempenho da renderização de cenas complexas, através de taxa de quadros em aplicações de realidade virtual. Abraham opta por Sort-First, no qual a tela é particionada em partes independentes, e são renderizadas por diferentes nós computacionais de renderização distintos. Esta abordagem evidencia a principal vantagem desse tipo de arquitetura: pouco requerimento de comunicação entre os nós gráficos. Entretanto, Abraham salienta a deficiência do Sort-first acerca da sobreposição das primitivas que precisam ser redundantemente renderizadas por mais de uma das partes disjuntas (fig. 4). Fig. 4. Visualização de modelo virtual de 9 nós utilizando Sort-First[8]. A arquitetura do Sort-first pode ser explorada no processamento de nós de todo pipeline de renderização para uma porção da tela. Mas as primitivas ficam sujeitas em poder aglomerar-se em certas regiões, o que concentra o trabalho em poucos renderizadores. Segundo Molnar, os sistemas de Sort-Last atribui cada processador (renderizador) arbitrariamente subconjuntos de primitivas, para que cada renderizador compute valores do pixel para seu subconjunto, não importando onde ele caia na tela. Os renderizadores então transmitem estes pixels em uma rede interconectada para os processadores desta composição. Por fim, é definida a visibilidade do pixel para cada renderizador. Cavin [9] nos mostra que a arquitetura do Sort-Last permite que os renderizadores operem de modo independentemente até o estágio de visibilidade, no final do pipeline de renderização. Para aplicações interativas ou de tempo real, renderizar imagens de alta qualidade resulta em uma alta taxa de dados. Em seu trabalho, Cavin apresenta analise de renderização de pipeline por Sort-Last aplicado em renderização de volume e polígonos. Cavin salienta que na renderização Sort-Last o conjunto de dados é decomposto e distribuídos através de diferentes nós de um cluster de computadores pessoais (PC). Para cada frame, cada nó renderiza uma imagem completa de dados atribuídos a uma GPU (Graphics Processing Unit, ou Unidade de Processamento Gráfico). Calvin mostra que a renderização Sort-Last associada a aglomerado de PC apresenta um sistema escalável de confiança e estável, mas é preciso boa largura de banda para comunicação dos nós gráficos para não limitar o desempenho. Eilemann [6] apresenta em seu trabalho a proposta do algoritmo Direct Send, baseado no Sort-Last, com modificações. O Direct Send divide a tarefa de recolher a imagem final para n blocos do espaço de tela para evitar a troca de imagens tamanho real entre os n canais de composição. Cada bloco está interligado no aglomerado gráfico, composto por um canal, os blocos são eventualmente montadas em conjunto para formar a imagem final, como mostra a fig. 6. IV. SORT-LAST O Sort-Last consiste em aplicar o sorting no fim do pipeline da renderização, depois das primitivas serem rasterizadas em pixels, amostras, ou fragmentos de pixels, conforme apresentado na fig. 5. Figura 5. Sort-Last - figura criada com base em Eilemann [6]. Fig. 6. Renderização Sort-Last usando Direct Send de três canais. As seis primeiras imagens mostram os buffers de renderização de cada bloco para cada canal e a imagem final com a imagem totalmente composta [6]. 105

4 O Direct Send associado ao Sort-Last adaptado pode escalar o tempo de renderização até vários nós de processamento paralelo, especialmente com o tamanho do modelo médio, como visto na fig. 7. Nota-se que um maior número de nós sobrecarrega a sincronização entre os nós, e pode se tornar um fator limitante para o paralelismo. Samanta [12] apresenta em seu trabalho a possibilidade de construir um sistema de renderização paralela rápido, barato e com bom desempenho. O sistema de Samanta apresenta um pipeline de 3 fase, mostrada na fig. 8: Fig. 8. Arquitetura do sistema híbrido Sort-First e Sort-Last, com fases de cliente, servidor e exibição proposto por Samanta [11]. Fig. 7. Modelo médio de seis Nós do tipo Sort-Last, usando cores diferentes para cada Nó [11]. V. SORT-FIRST E SORT-LAST Moloney [10] apresenta em seu trabalho um comparativo entre o Sort-First e Sort-Last. Ele salienta a dificuldade em comparar os métodos, pois muitos parâmetros influenciam no desempenho da renderização. Moloney atenta para a queda de velocidade com que o Sort- Last trata dados grandes, mas o Sort-Last se mostra mais rápido quando o volume diminui e o numero de nós de renderização é menor. Já o Sort-Last se mostra mais eficiente na comunicação entre os nós gráficos, o que proporciona taxas mais estáveis de quadros por segundo. A possibilidade do Sort-First permitir adaptações eficientes de muitos algoritmos de renderização de volume para sistemas paralelos. Samanta [11] propõem a criação de um modelo hibrido do Sort-First e do Sort-Last. Samanta desenvolveu um algoritmo dependente de visão que particiona dinamicamente tanto a tela em blocos 2D e os polígonos 3D em grupos com o objetivo de equilibrar a carga de renderização entre os PCs para minimizar a largura de banda e composição dos blocos com uma redistribuição peer-to-peer dos píxeis. Na primeira fase, o cliente executa um algoritmo de particionamento que se decompõe ao mesmo tempo o modelo poligonal 3D em grupos disjuntos, atribuindo a cada grupo para um servidor PC diferente; Na segunda fase, cada servidor processa o grupo das primitivos 3D, que acessa o dado em volta do quadro do buffer na memória, atribuindo os dados a outro servidor para compô-los em seu buffer de quadro local para formar uma imagem completa de seu bloco. Cada servidor obtêm valores de cor de pixels dentro de seu bloco e os envia para uma tela de PC; Na terceira fase, o visor do PC recebe subimages de todos os servidores, e agrupa-as para formar uma imagem completa para exibição. O sistema de Samanta utiliza a comunicação peer-to-peer para associar todos os pixels entre servidores, técnica muito utilizada em aglomerados de PCs. Na proposta de Samanta é importante ressaltar que a largura de banda agregada pelos pixels recebidos na tela da máquina é mínima. Cada pixel é enviado para a tela apenas uma vez para cada imagem na terceira fase do pipeline. O modelo apresentado por Samanta se demonstrou uma técnica com bom desempenho e boa escalabilidade com modelos com grande quantidade de objetos em cena, como visto resultado da renderização na fig

5 Fig. 9. Visualizações de blocos que sobrepõe em partições criadas com o algoritmo híbrido, modelo composto por objetos [11]. VI. CONCLUSÃO Neste artigo foram abordados métodos de renderização paralela. Fica evidente a necessidade de renderizar enorme volume de dados independente da forma desses modelos a serem visualizados. Com o avanço cada vez mais rápido da computação gráfica, é demandada também a rapidez na evolução de tratamento de renderização de grande volume de dados, como na indústria do entretenimento (filmes, animações, games), campo profissional (simuladores, CAD, visualização da informação) e demanda cientifica. A computação gráfica associada à renderização paralela é uma alternativa eficiente. Vale salientar que o problema da renderização em si é a base para a classificação de algoritmos de renderização paralela, mas para cada caso específico o algoritmo de sorting depende da implementação e da aplicação de cada problema de renderização específico a ser estudado. Contudo a limitações importantes de serem observadas como o alto consumo de banda da rede, ficando limitada a velocidade dessa banda, ficando prejudicado o tratamento de aplicações em tempo real. [3] S. Molnar, Image-Composition Architectures for Real-Time Image Generation, doctoral dissertation, TR , University of North Carolina at Chapel Hill, Oct [4] Carl Mueller. The sort-first rendering architecture for highperformance graphics. ACM SIGGRAPH Computer Graphics (Special Issue on 1995 Symposium on Interactive 3-D Graphics),1995. [5] K. Moreland, B. Wylie, and C. Pavalakos, Sort-Last Tiled Rendering for Viewing Extremely Large Data Sets on Tiled Displays, IEEE Symp. Parallel and Large DataVisualization and Graphics, [6] S. Eilemann and R. Pajarola, Direct Send Compositing for Parallel Sort-Last Rendering, Proc. Eurographics Symp. Parallel Graphics and Visualization (EGPGV), 2007 [7] W.T. Correa, J.T. Klosowski, and C.T. Silva, Out-of-Core Sort-First Parallel Rendering for Cluster-Based Tiled Displays, Proc. Eurographics Workshop Parallel Graphics and Visualization (EGWPGV 02), pp , [8] F. R. Abraham, W. Celes, R. Cerqueira, and J. L. E. Campos. A loadbalancing strategy for sort-first distributed rendering. In Proceedings of SIBGRAPI IEEE Computer Society, Oct [9] X. Cavin and C. Mion, Pipelined Sort-Last Rendering: Scalability, Performance and Beyond, Proc. Eurographics Symp. Parallel Graphics and Visualization (EGPGV), [10] B. Moloney, M. Ament, D. Weiskopf, and T. Moller, Sort First Parallel Volume Rendering, IEEE Trans. Visualization and Computer Graphics, vol. 99, Sept [11] R. Samanta, T. Funkhouser, K. Li, and J.P. Singh, Hybrid Sort- First and Sort-Last Parallel Rendering with a Cluster of PCs, Proc. Eurographics Workshop Graphics Hardware, pp , [12] [12] R. Samanta, T. Funkhouser, K. Li, and J. P. Singh. Sort-first parallel rendering with a cluster of PCs. SIGGRAPH 2000 Technical Sketch, August REFERENCES [1] Molnar S., Cox M., Ellsworth D., Fuchsh, A Sorting Classification Of Parallel Rendering. In ACM SIGGRAPH ASIA 2008 courses (New York, NY, USA, 2008), SIGGRAPH Asia 08, ACM, pp. 35:1 35:11. [2] F. Crow, Parallelism in Rendering Algorithms, Proc. Graphics Interface 88, Morgan Kaufman, San Mateo, Calif., 1988, pp