OptiX入门（一）

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本人初学者，如有错误和更好的表述，请指出

环境：CLion+VS2022+CUDA Toolkit 12.0.1+OptiX8

下载好后打开SDK就可以看到OptiX官方提供的许多例子，CMake配置好后点开自己想看的内容直接开始看。推荐先把GAMES101看完之后再学API。可以看看文档，但是是英文的。

OptiX8是一个基于硬件的光追，主要分为三块进行理解，管线（Pipeline），加速结构，shader binding table(sbt)（资源组织）。

GPU和CPU之间的区别只需记住，device表示GPU端，host表示CPU端。

管线就是配置整个光追流程，包括硬件部分的函数入口等。

加速结构，一般是BVH或KD-Tree，不懂的话当成黑盒使用即可，暂时不用去管，只要知道是提升光线的遍历速度的就好。

shader binding table表示里记录所有shader的绑定信息。

光追中主要存在这么几个函数：

  • Ray generation，可以理解为函数入口（main函数），对每个pixel都执行一遍，一般在这里进行写下TraceRay（发出光线）相关函数，具体是optixTrace()。
  • Intersection，这个是光线和几何体的碰撞，但据说很少用，因为三角形和box的光线交是内置的，一般用于自己定义的可以解析的曲面，例如球。
  • Any hit，射线在任意碰到的交点都会触发，但是不保证交点的触发顺序（应该是用加速结构的原因），也不保证一条线上所有的交点都会触发，比如碰到某些点，会更新光线的TMin和TMax，而在[TMin,TMax]之外的点就不会触发。
  • Closest hit，一条射线上最早碰到的点，可以理解为直射，一般在这里进行计算信息，或者可以再发出射线。
  • Miss，没碰到场景，可以在这里计算天空信息，或者再发出射线。

optix_programs

不懂没关系，看看代码，在这里介绍下基础的optixHello，这部分主要结果是生成一个带颜色的画面。

三个文件，optixHello.h、draw_solid_color.cu、optixHello.cpp

cpp和h文件就不说了，cu文件用于GPU，编译成ptx文件后绑定到程序中进行执行，.cu文件是可以printf进行调试的。

看下optixHello.h内容，对比一下draw_solid_color.cu，两个都是在GPU和CPU通信的参数。

struct Params
{
    uchar4* image; //一维数组，其中rgb皆为char型，用于填充画面
    unsigned int image_width; //只保存width就够了，对于(x,y)的数据用x*width+y就可以定位
};

struct RayGenData
{
    float r,g,b; //在cu文件中作为填充色
};

看下draw_solid_color.cu文件，这里的所有函数都要类似__raygen__开头的命名

extern "C" {
__constant__ Params params; //记录结果
}

extern "C"
__global__ void __raygen__draw_solid_color()
{
    uint3 launch_index = optixGetLaunchIndex(); //获取当前的pixel坐标
    RayGenData* rtData = (RayGenData*)optixGetSbtDataPointer(); //获取sbt记录的数据，在这里是颜色，当然这个程序里直接记录在params也可以
    params.image[launch_index.y * params.image_width + launch_index.x] =
        make_color( make_float3( rtData->r, rtData->g, rtData->b ) ); //在image数据中记录颜色
}

看下optixHello.cpp

创建context

// Initialize CUDA and create OptiX context
OptixDeviceContext context = nullptr;
{
    // Initialize CUDA
    CUDA_CHECK( cudaFree( 0 ) );

    CUcontext cuCtx = 0;  // zero means take the current context
    OPTIX_CHECK( optixInit() );
    OptixDeviceContextOptions options = {};
    options.logCallbackFunction       = &context_log_cb;
    options.logCallbackLevel          = 4;
    OPTIX_CHECK( optixDeviceContextCreate( cuCtx, &options, &context ) );
}

创建module，在这里绑定变量和cu文件

// Create module
OptixModule module = nullptr;
OptixPipelineCompileOptions pipeline_compile_options = {};
{
    OptixModuleCompileOptions module_compile_options = {};
#if !defined(NDEBUG)
    module_compile_options.optLevel   = OPTIX_COMPILE_OPTIMIZATION_LEVEL_0;
    module_compile_options.debugLevel = OPTIX_COMPILE_DEBUG_LEVEL_FULL;
#endif
    pipeline_compile_options.usesMotionBlur        = false;
    pipeline_compile_options.traversableGraphFlags = OPTIX_TRAVERSABLE_GRAPH_FLAG_ALLOW_SINGLE_LEVEL_INSTANCING;
    pipeline_compile_options.numPayloadValues      = 2;
    pipeline_compile_options.numAttributeValues    = 2;
    pipeline_compile_options.exceptionFlags        = OPTIX_EXCEPTION_FLAG_NONE;  // TODO: should be OPTIX_EXCEPTION_FLAG_STACK_OVERFLOW;
    pipeline_compile_options.pipelineLaunchParamsVariableName = "params"; //这里绑定cu文件的params变量

    size_t      inputSize = 0;
    const char* input = sutil::getInputData( OPTIX_SAMPLE_NAME, OPTIX_SAMPLE_DIR, "draw_solid_color.cu", inputSize ); //这里绑定cu文件

    OPTIX_CHECK_LOG( optixModuleCreate(
                context,
                &module_compile_options,
                &pipeline_compile_options,
                input,
                inputSize,
                LOG, &LOG_SIZE,
                &module
                ) );
}

创建program groups，在这里绑定函数

// Create program groups, including NULL miss and hitgroups
OptixProgramGroup raygen_prog_group   = nullptr;
OptixProgramGroup miss_prog_group     = nullptr;
{
    OptixProgramGroupOptions program_group_options   = {}; // Initialize to zeros

    OptixProgramGroupDesc raygen_prog_group_desc  = {}; //
    raygen_prog_group_desc.kind                     = OPTIX_PROGRAM_GROUP_KIND_RAYGEN;
    raygen_prog_group_desc.raygen.module            = module;
    raygen_prog_group_desc.raygen.entryFunctionName = "__raygen__draw_solid_color"; //看这里绑定入口函数
    OPTIX_CHECK_LOG( optixProgramGroupCreate(
                context,
                &raygen_prog_group_desc,
                1,   // num program groups
                &program_group_options,
                LOG, &LOG_SIZE,
                &raygen_prog_group
                ) );

    // Leave miss group's module and entryfunc name null
    OptixProgramGroupDesc miss_prog_group_desc = {}; //这个是miss相关的，在这个程序里暂时没用
    miss_prog_group_desc.kind = OPTIX_PROGRAM_GROUP_KIND_MISS;
    OPTIX_CHECK_LOG( optixProgramGroupCreate(
                context,
                &miss_prog_group_desc,
                1,   // num program groups
                &program_group_options,
                LOG, &LOG_SIZE,
                &miss_prog_group
                ) );
}

创建pipeline，这里绑定program group

// Link pipeline
OptixPipeline pipeline = nullptr;
{
    const uint32_t    max_trace_depth  = 0;
    OptixProgramGroup program_groups[] = { raygen_prog_group };

    OptixPipelineLinkOptions pipeline_link_options = {};
    pipeline_link_options.maxTraceDepth            = max_trace_depth;
    OPTIX_CHECK_LOG( optixPipelineCreate( //创建pipeline，绑定program group
                context,
                &pipeline_compile_options,
                &pipeline_link_options,
                program_groups,
                sizeof( program_groups ) / sizeof( program_groups[0] ),
                LOG, &LOG_SIZE,
                &pipeline
                ) );

    OptixStackSizes stack_sizes = {};
    for( auto& prog_group : program_groups )
    {
        OPTIX_CHECK( optixUtilAccumulateStackSizes( prog_group, &stack_sizes, pipeline ) );
    }

    uint32_t direct_callable_stack_size_from_traversal;
    uint32_t direct_callable_stack_size_from_state;
    uint32_t continuation_stack_size;
    OPTIX_CHECK( optixUtilComputeStackSizes( &stack_sizes, max_trace_depth,
                                             0,  // maxCCDepth
                                             0,  // maxDCDEpth
                                             &direct_callable_stack_size_from_traversal,
                                             &direct_callable_stack_size_from_state, &continuation_stack_size ) );
    OPTIX_CHECK( optixPipelineSetStackSize( pipeline, direct_callable_stack_size_from_traversal,
                                            direct_callable_stack_size_from_state, continuation_stack_size,
                                            2  // maxTraversableDepth
                                            ) );
}

创建sbt，在这里设置record和传进去的data，在这里就是生成的颜色

// Set up shader binding table
OptixShaderBindingTable sbt = {};
{
    CUdeviceptr  raygen_record;
    const size_t raygen_record_size = sizeof( RayGenSbtRecord );
    CUDA_CHECK( cudaMalloc( reinterpret_cast<void**>( &raygen_record ), raygen_record_size ) );
    RayGenSbtRecord rg_sbt;
    OPTIX_CHECK( optixSbtRecordPackHeader( raygen_prog_group, &rg_sbt ) );
    rg_sbt.data = {0.462f, 0.725f, 0.f};
    CUDA_CHECK( cudaMemcpy(
                reinterpret_cast<void*>( raygen_record ),
                &rg_sbt,
                raygen_record_size,
                cudaMemcpyHostToDevice
                ) );

    CUdeviceptr miss_record;
    size_t      miss_record_size = sizeof( MissSbtRecord );
    CUDA_CHECK( cudaMalloc( reinterpret_cast<void**>( &miss_record ), miss_record_size ) );
    RayGenSbtRecord ms_sbt;
    OPTIX_CHECK( optixSbtRecordPackHeader( miss_prog_group, &ms_sbt ) );
    CUDA_CHECK( cudaMemcpy(
                reinterpret_cast<void*>( miss_record ),
                &ms_sbt,
                miss_record_size,
                cudaMemcpyHostToDevice
                ) );

    sbt.raygenRecord                = raygen_record;
    sbt.missRecordBase              = miss_record;
    sbt.missRecordStrideInBytes     = sizeof( MissSbtRecord );
    sbt.missRecordCount             = 1;
}

创建outputbuffer用于接收结果，然后launch，这个launch会在每个pixel中执行一次

sutil::CUDAOutputBuffer<uchar4> output_buffer( sutil::CUDAOutputBufferType::CUDA_DEVICE, width, height );
// launch
{
    CUstream stream;
    CUDA_CHECK( cudaStreamCreate( &stream ) );

    Params params;
    params.image       = output_buffer.map(); //对应到outputbuffer
    params.image_width = width;

    CUdeviceptr d_param; //创建一个GPU指针
    CUDA_CHECK( cudaMalloc( reinterpret_cast<void**>( &d_param ), sizeof( Params ) ) ); //malloc一个GPU空间存放Params
    CUDA_CHECK( cudaMemcpy(
                reinterpret_cast<void*>( d_param ),
                &params, sizeof( params ),
                cudaMemcpyHostToDevice
                ) );

    OPTIX_CHECK( optixLaunch( pipeline, stream, d_param, sizeof( Params ), &sbt, width, height, /*depth=*/1 ) );
    CUDA_SYNC_CHECK();

    output_buffer.unmap();
    CUDA_CHECK( cudaFree( reinterpret_cast<void*>( d_param ) ) );
}

显示图像

//// Display results
{
    sutil::ImageBuffer buffer;
    buffer.data         = output_buffer.getHostPointer(); //这里要在CPU端展示，因此要转为CPU端的数据
    buffer.width        = width;
    buffer.height       = height;
    buffer.pixel_format = sutil::BufferImageFormat::UNSIGNED_BYTE4; //对应uchar4
    if( outfile.empty() )
        sutil::displayBufferWindow( argv[0], buffer );
    else
        sutil::saveImage( outfile.c_str(), buffer, false );
}

清理资源，注意正序生成，倒序清理

// Cleanup
{
    CUDA_CHECK( cudaFree( reinterpret_cast<void*>( sbt.raygenRecord       ) ) );
    CUDA_CHECK( cudaFree( reinterpret_cast<void*>( sbt.missRecordBase     ) ) );

    OPTIX_CHECK( optixPipelineDestroy( pipeline ) );
    OPTIX_CHECK( optixProgramGroupDestroy( miss_prog_group ) );
    OPTIX_CHECK( optixProgramGroupDestroy( raygen_prog_group ) );
    OPTIX_CHECK( optixModuleDestroy( module ) );

    OPTIX_CHECK( optixDeviceContextDestroy( context ) );
}

整个程序的大致结构如图（不保证正确）

image-20230902144317221

image-20230902145310588

码字不易，点个赞吧

总结

整个程序流程大致就是：

  • 创建加速结构（在这里没有）
  • 创建module、program group
  • 创建pipeline、sbt
  • launch，显示图像

每个pixel中执行launch，在这里就是每个pixel执行__raygen__draw_solid_color函数设置颜色，传递形成一个outbuffer一维数组，形成图像。

图形学
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