Журнал «Компьютерра» № 13 от 04 апреля 2006 года

Еще одна весьма многообещающая техника — так называемые Coupled Map Lattices (CML). Многие из вас, наверное, слышали про математическую игру «Жизнь». Напомню правила. Место действия — двухмерный массив клеток, противоположные края которого во избежание граничных эффектов отождествлены: получается этакий дискретный тор. Каждая клетка может находиться в двух состояниях: она либо жива, либо мертва. У клетки, очевидно, восемь соседей. Задается распределение живых клеток в начале игры. Это «первое поколение». Каждое следующее поколение рассчитывается по таким правилам: 1) если у мертвой клетки ровно три живых соседа, она оживает; 2) если у живой клетки два или три живых соседа, она продолжает жить; 3) если же живых соседей меньше двух или больше трех, то клетка умирает (от одиночества и от перенаселенности соответственно). Задавая различные первые поколения, можно получать разнообразнейшие картины развития популяции. Так вот, если в игре «Жизнь» разрешить клеткам принимать не два состояния, а больше, и соответственно усложнить свод правил, по которым клетки переходят из одного состояния в другое, то как раз и получится CML. Оказывается, при помощи этих систем очень удобно моделировать целый ряд природных явлений, в частности кипение жидкостей, рост барханов и формирование облаков. Более того, эта техника как будто специально придумана, чтобы ее реализовали на графическом процессоре: N+1-е поколение (текстура) получается из N-го поколения (текстуры) применением одного и того же свода правил (пиксельного шейдера) к каждой клетке поля (пиксела текстуры). Замечу, что я писал такую программу для центрального процессора, и нормального быстродействия удавалось добиться лишь для сеток весьма скромных размеров. Здесь же все просто летает.

Идеологически чем-то похожи на CML и «боиды», при помощи которых уже двадцать лет моделируется поведение стай птиц, косяков рыб, облаков насекомых и т. д. [«КТ» уже писала об этой технике] Если вкратце, каждый член стаи подчиняется трем простым правилам: избегай столкновений; двигайся туда же, куда и все; придерживайся центра стаи. А поскольку область зрения считается весьма небольшой, то движение каждой птицы определяется движением лишь нескольких ближайших ее соседей. Группа итальянских ученых еще в 2004 году написала целиком работающую на GPU мощную систему для моделирования передвижений больших стай птиц (с облетом препятствий, включая динамические) и отрапортовала об отличных скоростных показателях детища. Если же вспомнить, что прямой потомок «боидов», система Massive, использовалась для расчета поведения многотысячных армад в кинотрилогии «Властелин Колец»… Ох, славные битвы грядут, камрады-ролевики!

О программировании систем частиц на современных графических процессорах я могу говорить часами. Хотя бы потому, что именно так называлась одна из моих курсовых работ. Более очевидного кандидата на вынос с CPU, наверное, не найти. Тысячи точек движутся по простым законам, минимально взаимодействуя друг с другом и окружающим миром — или не взаимодействуя вовсе. Выигрыш от того, что эти гигантские массивы данных не гоняются на каждом кадре из оперативной памяти на видеокарту, огромен. Если же приложение таково, что частицам требуется сортировка (такое бывает, например, при моделировании воды), то преимущество шейдерного подхода становится просто разгромным. Мой почти не оптимизированный код давал выигрыш в два-три раза, в Сети же встречаются отчеты о реализациях, дающих восьми— и даже десятикратный выигрыш.

Ну и конечно, на карточку уходит практически вся рутина: анимация (от колыхания травы до обратной кинематики моделей); выделение границ и силуэтных ребер; определение видимости (в том числе закрывание объектов друг другом); LOD-техника (выбор в реальном времени подходящей детализации модели для сокращения числа выводимых полигонов); вычисление пересечений геометрических примитивов (например, луча и объектов сцены, для определения точки попадания пули). GPU стали по-настоящему универсальны и, повторюсь, подходят практически для любых задач. Судя по всему, уже в ближайшие несколько лет можно ожидать серьезного повышения как качества картинки, так и реалистичности взаимодействия с игровым миром. И этому решительно невозможно не радоваться!

ТЕМА НОМЕРА: GPU в кино

Автор: Алексей Калиниченко