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ray_tracing.adoc

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레이 트레이싱(Ray Tracing)

Vulkan API에서 레이 트레이싱을 지원하는 상호 연관된 5가지 확장 기능 세트를 제공합니다.

추가적으로 SPIR-V 및 GLSL 확장 기능도 쉐이더에 필요한 프로그래밍 가능한 기능을 제공합니다:

Note

많은 레이 트레이싱 애플리케이션에는 대량의 연속 메모리 할당이 필요합니다. 주소 공간의 크기가 제한되어 있기 때문에 32비트 시스템에서는 이 작업이 어려울 수 있습니다. 32비트 시스템에서 레이 트레이싱 확장 기능을 자유롭게 구현할 수 있지만, 애플리케이션에서 간헐적으로 메모리 파편화로 인한 할당 실패와 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 일부 구현에서는 32비트 드라이버에서 레이 트레이싱 확장 기능을 공개하지 않도록 선택할 수도 있습니다.

VK_KHR_acceleration_structure

가속 구조는 구현에 따라 달라지는 기하학적 객체의 불투명한 표현으로, 레이 트레이싱에 사용됩니다. 객체를 가속 구조로 구축하면 알고있는 데이터 레이아웃에 대해 효율적인 방식으로 레이 트레이싱을 수행할 수 있습니다. VK_KHR_acceleration_structure 확장 기능에는 가속 구조체를 빌드하고 복사하는 기능과 메모리와의 직렬화를 지원하는 기능이 도입되었습니다.

가속 구조는 레이 파이프라인 (VK_KHR_ray_tracing_pipeline)과 레이 쿼리 (VK_KHR_ray_query) 둘 다 필요합니다.

가속 구조를 만들기 위해서는 아래와 같은 작업이 필요합니다:

  • VkAccermed Structure Build Geometry InfoKHR` 인스턴스에 가속 구조 유형, 지오메트리 유형, 갯수 및 최대 크기를 입력합니다. 이 시점에서는 지오메트리 데이터를 입력할 필요가 없습니다.

  • 빌드를 실행하는 데 필요한 메모리 크기를 가져오려면 vkGetAccloationStructureBuildSizesKHR 을 호출합니다.

  • 가속 구조 (VkAccelerationStructureBuildSizesKHR::accelerationStructureSize) 와 빌드 스크래치 버퍼 (VkAccelerationStructureBuildSizesKHR::buildScratchSize) 를 유지하기에 충분한 크기의 버퍼를 할당합니다.

  • 버퍼 내 지정된 위치에 가속 구조를 생성하려면 vkCreateAccelerationStructureKHR 을 호출합니다.

  • 가속 구조를 빌드하기 위해 vkCmdBuildAccelerationStructuresKHR 를 호출합니다. 여기서는 먼저 입력한 VkAcceleration Structure Build Geometry InfoKHR 을 파라미터로 사용하여 원하는 가속 구조 객체, 빌드용 스크래치 버퍼, 지오메트리 데이터 포인터(정점, 인덱스, 트랜스폼용) 을 추가합니다.

VK_KHR_ray_tracing_pipeline

VK_KHR_ray_tracing_pipeline 확장 기능은 레이 트레이싱 파이프라인을 도입합니다. 이 새로운 형태의 렌더링 파이프라인은 기존의 래스터라이즈 파이프라인과는 독립적입니다. 레이 트레이싱 파이프라인은 기존의 정점/지오메트리/프래그먼트 스테이지와 다른 전용 쉐이더 스테이지 세트를 활용합니다. 레이 트레이싱 파이프라인은 렌더링 작업을 전송하는 전용 명령(vkCmdTraceRaysKHR 및 vkCmdTraceRaysIndirectKHR)도 활용합니다. 이러한 명령은 기존 래스터라이즈 파이프라인의 그리기 명령(vkCmdDraw 및 vkCmdDrawIndirect)과 다소 유사하다고 볼 수 있습니다.

레이를 추적하려면:

  • vkCmdBindPipeline 와 VK_PIPELINE_BIND_POINT_RAY_TRACING_KHR 를 사용하여 레이 트레이싱 파이프라인에 바인딩 합니다.

  • vkCmdTraceRaysKHR 또는 vkCmdTraceRaysIndirectKHR 를 호출합니다.

레이 트레이싱 파이프라인에 몇 가지 새로운 쉐이더 도메인이 도입되었습니다. 이에 대한 설명은 다음과 같습니다:

Ray Tracing Shaders

  • 레이 생성 쉐이더(Ray generation shader)는 레이 트레이싱의 시작점을 나타냅니다. 레이 트레이싱 명령어(vkCmdTraceRaysKHR 와 vkCmdTraceRaysIndirectKHR) 는 컴퓨트 쉐이더와 마찬가지로 쉐이더 호출 그리드를 기동합니다. 레이 생성 쉐이더는 레이를 만들고 traceRayEXT() 호출에 통해 추적을 시작합니다. 또한 히트 그룹의 결과를 처리합니다.

  • 레이가 가장 가까운 지오메트리와 교차할 때 가장 가까운 히트 쉐이더(Closest hit shader)가 실행됩니다. 애플리케이션은 가장 가까운 히트 쉐이더를 얼마든지 지원할 수 있습니다. 일반적으로 조명 계산을 수행하는 데 사용되며 재귀적으로 추가 레이를 추적할 수 있습니다.

  • 미스 쉐이더(Miss shader)는 레이가 통과하는 동안 지오메트리와 교차하지 않을 때 가장 가까운 히트 셰이더 대신 실행됩니다. 미스 쉐이더의 일반적인 용도는 환경 맵을 샘플링하는 것입니다.

  • 내장된 교차 테스트는 레이-삼각형 테스트입니다. 교차(Intersection) 쉐이더를 사용하면 사용자 정의 교차점 처리가 가능합니다.

  • 임의 히트 쉐이더(Any-hit shader)는 가장 가까운 히트 쉐이더와 마찬가지로 교차점이 보고된 후 실행됩니다. 차이점은 임의 히트 쉐이더는 레이의 원점에서 가장 가까운 레이가 아니라 [tmin, tmax]로 정의된 레이 구간 내의 임의의 교차점에 대해 호출된다는 것입니다. 임의 히트 쉐이더는 교차점 필터링에 사용되므로 알파 테스트 구현에 자주 사용됩니다.

VK_KHR_ray_query

'VK_KHR_ray_query' 확장 기능은 그래픽스, 컴퓨트, 레이 트레이싱 파이프라인을 포함한 모든 쉐이더 유형의 레이 트레이싱을 지원합니다.

레이 쿼리를 사용하려면 레이 통과 코드(ray traversal code)가 쉐이더에 명시적으로 포함되어 있어야 합니다. 이것은 레이 생성, 교차 테스트, 레이-지오메트리 히트 처리가 별도의 쉐이더 스테이지로 표현되는 레이 트레이싱 파이프라인과는 다릅니다. 따라서 레이 쿼리를 사용하면 더 넓은 범위의 쉐이더 스테이지에서 레이를 추적할 수 있지만, Vulkan 구현에서 레이 스케줄링 및 추적에 적용할 수 있는 최적화 범위도 제한됩니다.

이 확장 기능은 추가 API 진입점(entry-points)을 도입하는 것이 아닙니다. 단순히 관련 SPIR-V 및 GLSL 확장(SPV_KHR_ray_query 및 GLSL_EXT_ray_query)에 대한 API 지원을 제공할 뿐입니다.

VK_KHR_ray_query 가 제공하는 기능은 VK_KHR_ray_tracing_pipeline 이 제공하는 기능을 보완하는 것으로, 두 확장 기능을 함께 사용할 수 있습니다.

rayQueryEXT rq;

rayQueryInitializeEXT(rq, accStruct, gl_RayFlagsTerminateOnFirstHitEXT, cullMask, origin, tMin, direction, tMax);

// 가속 구조를 가로지르며 첫 번째 교차점(있는 경우)에 대한 정보를 저장
rayQueryProceedEXT(rq);

if (rayQueryGetIntersectionTypeEXT(rq, true) == gl_RayQueryCommittedIntersectionNoneEXT) {
    // Not in shadow
}

VK_KHR_pipeline_library

VK_KHR_pipeline_library 파이프라인 라이브러리를 도입합니다. 파이프라인 라이브러리는 VK_PIPELINE_CREATE_LIBRARY_BIT_KHR 을 사용하여 생성된 특수 파이프라인으로, 직접 바인딩하여 사용할 수 없습니다. 대신 다른 파이프라인에 연결할 수 있는 쉐이더, 쉐이더 그룹 및 관련 상태의 컬렉션을 나타내는 파이프라인입니다.

VK_KHR_pipeline_library 는 새로운 API 함수를 직접 도입하거나 파이프라인 라이브러리를 생성하는 방법을 정의하지 않습니다. 대신, 이 기능은 VK_KHR_pipeline_library 에서 제공하는 기능을 사용하는 다른 확장 기능에 맡겨져 있습니다. 현재는 VK_KHR_ray_tracing_pipeline 이 유일한 예입니다. VK_KHR_pipeline_library 는 레이 트레이싱 확장 기능에 대한 의존성을 도입하지 않고 향후 다른 확장 기능에서도 동일한 기능을 사용할 수 있도록 독립적인 확장 기능으로 정의되었습니다.

레이 트레이싱 파이프라인 라이브러리를 만들려면:

  • vkCreateRayTracingPipelinesKHR 호출할 때, VkRayTracingPipelineCreateInfoKHR::flags 에서 VK_PIPELINE_CREATE_LIBRARY_BIT_KHR 을 설정합니다.

레이 트레이싱 파이프라인 라이브러리를 전체 파이프라인에 연결하려면:

  • VkRayTracingPipelineCreateInfoKHR::pLibraryInfo 가 VkPipelineLibraryCreateInfoKHR 의 인스턴스를 가리키도록 설정합니다.

  • 링킹(linking) 입력으로 사용할 파이프라인 라이브러리로 VkPipelineLibraryCreateInfoKHR::pLibraries 를 입력하고, VkPipelineLibraryCreateInfoKHR::libraryCount 를 적절한 값으로 설정합니다.

VK_KHR_deferred_host_operations

VK_KHR_deferred_host_operations 는 고비용 CPU 작업을 여러 스레드에 분산하는 메커니즘을 도입합니다. Vulkan 드라이버에 스레드 풀을 도입하는 대신, VK_KHR_deferred_host_operations 는 애플리케이션이 스레드를 생성하고 관리할 수 있도록 설계되었습니다.

VK_KHR_pipeline_library 와 마찬가지로 VK_KHR_deferred_host_operations 는 레이 트레이싱 확장 기능에 대한 종속성을 도입하지 않고 향후 다른 확장 기능에서 동일한 기능을 사용할 수 있도록 별도의 확장 기능으로 정의했습니다.

지연(deferral)을 지원한다고 구체적으로 명시된 작업만 지연될 수 있습니다. 현재 디퍼런스를 지원하는 작업은 vkCreateRayTracingPipelinesKHR, vkBuildAccelerationStructuresKHR, vkCopyAccelerationStructureKHR, vkCopyMemoryToAccelerationStructureKHR, vkCopyAccelerationStructureToMemoryKHR 뿐입니다.

작업 지연을 요청하려면:

  • vkCreateDeferredOperationKHR 호출하여 VkDeferredOperationKHR 객체를 생성합니다.

  • 지연시키려는 작업을 호출하여 VkDeferredOperationKHR 을 매개변수로 전달합니다.

  • 위 연산에서 반환된 VkResult 를 확인합니다:

    • VK_OPERATION_DEFERRED_KHR 은 작업이 성공적으로 지연되었음을 나타냅니다.

    • VK_OPERATION_NOT_DEFERRED_KHR 은 작업이 즉시 성공적으로 완료되었음을 나타냅니다

    • 오류가 발생한다면 오류값(error value)을 반환합니다.

스레드를 지연된 작업에 결합하고 작업 진행에 CPU 시간을 주려면:

  • 작업에 참여하려는 각 스레드에서 vkDeferredOperationJoinKHR 을 호출합니다.

  • vkDeferredOperationJoinKHR 이 반환한 VkResult 를 확인합니다:

    • VK_SUCCESS 는 작업이 완료되었음을 나타냅니다.

    • VK_THREAD_DONE_KHR 은 호출한 스레드에 더 이상 할당할 작업이 없지만 다른 스레드에는 아직 완료해야 할 추가 작업이 있을 수 있음을 나타냅니다. 현재 스레드는 vkDeferredOperationJoinKHR 을 다시 호출하여 재참여를 시도해서는 안 됩니다.

    • VK_THREAD_IDLE_KHR 은 호출 스레드에 할당할 작업이 일시적으로 없지만 향후 추가 작업을 사용할 수 있게 될 수 있음을 나타냅니다. 현재 스레드가 호출한 스레드에서 다른 유용한 작업을 수행할 수 있으며, 나중에 vkDeferredOperationJoinKHR 을 다시 호출하여 재참여할 수도 있습니다.

작업을 완료한 후(즉, vkDeferredOperationJoinKHR 이 VK_SUCCESS 를 반환한 경우) vkGetDeferredOperationResultKHR 을 호출하여 작업 결과를 가져옵니다.

레이 트레이싱을 위한 동기화

  • 쉐이더 트레이스 또는 쿼리 호출의 경우, 가속 구조에 해당하는 쉐이더 스테이지(들)와 함께 VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_READ_BIT_KHR 을 사용하세요.

  • 레이 트레이싱 파이프라인에서 쉐이더 바인딩 테이블에 액세스하려면, VK_PIPELINE_STAGE_RAY_TRACING_SHADER_BIT_KHR 을 VK_ACCESS_SHADER_READ_BIT 또는 VK_ACCESS_2_SHADER_BINDING_TABLE_READ_BIT_KHR 과 함께 사용하세요.

  • 가속 구조 빌드의 경우, 액세스하는 리소스에 해당하는 액세스 비트(access bits)와 함께 VK_PIPELINE_STAGE_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_BIT_KHR 을 사용하세요:

    • 쓰기 대상 AS는 VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_WRITE_BIT_KHR 을 사용합니다.

    • 소스 AS(예: 업데이트용)는 VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_READ_BIT_KHR 을 사용합니다.

    • 스크래치 버퍼에는 VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_WRITE_BIT_KHR 와 VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_READ_BIT_KHR 모두 필요합니다.

    • 정점/인덱스/인스턴스/트랜스폼 버퍼는 VK_ACCESS_SHADER_READ_BIT 를 사용합니다.

  • 가속 구조의 복사 명령의 경우, VK_PIPELINE_STAGE_2_ACCELERATION_STRUCTURE_COPY_BIT_KHR 또는 VK_PIPELINE_STAGE_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_BIT_KHR 를 사용하고 소스에 맞는 액세스 플래그를 사용합니다:

    • 쓰기 대상 AS는 VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_WRITE_BIT_KHR 를 사용합니다.

    • 소스 AS는 VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_READ_BIT_KHR 를 사용합니다.

    • 쓰기 대상 버퍼는 VK_ACCESS_TRANSFER_WRITE_BIT 를 사용합니다.

    • 소스 버퍼는 VK_ACCESS_TRANSFER_READ_BIT 를 사용합니다.

  • 간접 트레이스 호출의 경우, 간접 버퍼는 VK_PIPELINE_STAGE_DRAW_INDIRECT_BIT 와 VK_ACCESS_INDIRECT_COMMAND_READ_BIT 입니다.

  • 간접 가속 구조 빌드의 경우, 간접 버퍼는 VK_PIPELINE_STAGE_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_BIT_KHR 가 포함된 VK_ACCESS_INDIRECT_COMMAND_READ_BIT 입니다.

  • 마이크로맵 빌드의 경우, 액세스 중인 리소스에 해당하는 액세스 비트와 함께 VK_PIPELINE_STAGE_2_MICROMAP_BUILD_BIT_EXT 를 사용합니다:

    • 쓰기 대상 마이크로맵은 VK_ACCESS_2_MICROMAP_WRITE_BIT_EXT 를 사용합니다.

    • 스크래치 버퍼에는 VK_ACCESS_2_MICROMAP_WRITE_BIT_EXT 와 VK_ACCESS_2_MICROMAP_READ_BIT_EXT 가 모두 필요합니다.

    • 입력 버퍼는 VK_ACCESS_SHADER_READ_BIT 를 사용합니다.

  • 마이크로맵 복사 명령의 경우, 소스에 따라 액세스 플래그가 달라지는 VK_PIPELINE_STAGE_2_MICROMAP_BUILD_BIT_EXT 를 사용합니다:

    • 쓰기 대상 마이크로맵은 VK_ACCESS_2_MICROMAP_WRITE_BIT_EXT 를 사용합니다.

    • 소스 마이크로맵은 VK_ACCESS_2_MICROMAP_READ_BIT_EXT 를 사용합니다.

    • 쓰기 대상 버퍼는 VK_ACCESS_TRANSFER_WRITE_BIT 를 사용합니다.

    • 소스 버퍼는 VK_ACCESS_TRANSFER_READ_BIT 를 사용합니다.

Note

다른 복사 작업과 달리 VK_PIPELINE_STAGE_TRANSFER_BIT 은 가속 구조 복사에 사용할 수 없습니다.

VK_PIPELINE_STAGE_2_ACCELERATION_STRUCTURE_COPY_BIT_KHR/ VK_ACCESS_2_SHADER_BINDING_TABLE_READ_BIT_KHR 사용하려면 VK_KHR_ray_tracing_maintenance1 가 필요합니다.

VK_PIPELINE_STAGE_2_MICROMAP_BUILD_BIT_EXT/ VK_ACCESS_2_MICROMAP_WRITE_BIT_EXT/VK_ACCESS_2_MICROMAP_READ_BIT_EXT 를 사용하려면 VK_EXT_opacity_micromap 가 필요합니다.

레이 트레이싱 모범 사례들

동시에 활성화되는 레이 쿼리 객체 수 최소화

레이 쿼리 객체는 스레드 개인 스토리지 측면에서 비용이 많이 들 수 있으므로 성능을 위해 가능한 한 적게 사용하는 것이 가장 좋습니다. 대부분의 경우 종료된 레이를 추적하더라도 종료된 레이가 새로운 레이를 발행한다면 동일한 레이 쿼리 객체를 사용할 수 있을 것입니다. 동일한 쉐이더의 여러 레이 쿼리가 필요한 것은 여러 개의 트래버스가 동시에 활성화되어야 하는 경우이며, 쉐이더에서는 활성 트래버스의 수를 최소화하도록 설계해야 합니다.

레이 페이로드(Ray Payloads), 히트 속성(Hit Attribute), 호출 가능한 데이터(Callable Data) 크기 최소화

레이 트레이싱 쉐이더 스테이지는 모든 트래버스 스테이지 간의 레이 페이로드 구조체, 트래버스 제어 쉐이더의 히트 속성 구조체, 호출 가능한 쉐이더의 호출 가능한 데이터 구조체를 사용하여 파라미터와 결과를 전달할 수 있습니다.

이 세 가지 구조는 모두 드라이버가 관리하는 메모리를 사용하며, 메모리 총량은 구조체 자체의 크기, 동시 활성화된 레이의 수, 또는 재귀 레벨 등의 추가 요소에 기반하여 증가할 수 있습니다.

쉐이더는 이러한 구조체의 크기를 작게 유지하는 것이 바람직합니다.

장치-로컬 메모리 선호하기

가속 구조는 모든 Vulkan 메모리 힙에 빌드할 수 있지만, 장치-로컬 메모리 상의 가속 구조에 대한 레이 트레이스가 최고의 성능을 기대할 수 있기 때문에 이를 우선시하는 것이 좋습니다. 장치-로컬 메모리 용량이 부족한 경우 호스트-로컬 메모리(즉, GPU 액세스 가능 시스템 메모리)를 사용해야 하지만, 장치-코러 메모리와 동등한 성능을 기대하기는 어렵습니다.