Kas iš tiesų vyksta, kai kompiuteris kuria vaizdą
Kai žiūrime į nuostabius filmų specialiuosius efektus ar laukiame, kol 3D programa užbaigs mūsų projekto atvaizdavimą, retai pagalvojame apie tai, kas vyksta kompiuterio viduje. O ten tikrai dedasi įdomūs dalykai. Vaizdų generavimas, arba rendering’as, kaip jį vadina specialistai, yra sudėtingas procesas, kurio metu kompiuteris paverčia skaičius ir matematines formules į tai, ką matome ekrane.
Šiandien turime du pagrindinius būdus, kaip kompiuteris gali atlikti šį darbą – naudodamas procesorių (CPU) arba vaizdo plokštę (GPU). Ir nors abu galiausiai pasiekia panašų rezultatą, jų darbas vyksta visiškai skirtingai. Tai tarsi palyginti maratoną ir sprintą – abu yra bėgimas, bet strategija ir pajėgumai skiriasi kardinaliai.
Procesoriaus stiprybės: universalumas ir protingumas
Centrinį procesorių galima įsivaizduoti kaip labai protingą darbininką, kuris puikiai susidoroja su bet kokia užduotimi. Šiuolaikiniai procesoriai turi nuo 4 iki 64 branduolių (o kai kurie serveriniai – dar daugiau), ir kiekvienas iš šių branduolių veikia kaip atskiras smegenų centras, galintis savarankiškai mąstyti ir priimti sprendimus.
Kai CPU atlieka rendering’ą, jis dirba metodiškai ir kruopščiai. Kiekvienas branduolys gali apdoroti sudėtingas užduotis, priimti sprendimus pagal situaciją, valdyti atmintį ir koordinuoti darbą su kitais komponentais. Tai ypač naudinga, kai reikia apskaičiuoti sudėtingą šviesos elgesį, atspindžius, lūžius ar kitus fizikos dėsnius, kurie reikalauja daug logikos ir sprendimų priėmimo.
CPU rendering’as puikiai tinka fotorealistiniams vaizdams kurti. Tokios programos kaip V-Ray, Corona Renderer ar Arnold naudoja procesoriaus galią tam, kad sukurtų neįtikėtinai tikroviškus vaizdus. Čia svarbu ne greitis, o kokybė – kiekvienas šviesos spindulys apskaičiuojamas tiksliai, atsižvelgiant į daugybę parametrų.
Vaizdo plokštės galia: tūkstančiai rankų dirba vienu metu
O dabar įsivaizduokite visai kitokį scenarijų. Vietoj keliolikos labai protingų darbininkų, turite tūkstančius paprastesnių, bet neįtikėtinai greitų pagalbininkų. Tai ir yra GPU – grafinė procesorinė įranga, sukurta specialiai vaizdų apdorojimui.
Šiuolaikinė vaizdo plokštė turi ne kelis dešimtis, o tūkstančius (kartais net dešimtis tūkstančių) mažyčių apdorojimo vienetų, vadinamų CUDA branduoliais (NVIDIA atveju) arba Stream procesoriais (AMD atveju). Kiekvienas iš šių vienetų nėra toks protingas kaip CPU branduolys – jie negali priimti sudėtingų sprendimų ar valdyti sudėtingų operacijų. Bet štai ką jie gali: atlikti tas pačias paprastas operacijas milijonus kartų per sekundę, visi vienu metu.
GPU rendering’as veikia pagal principą „skaldyk ir valdyk”. Vaizdas suskaidomas į mažus gabalėlius – pikselius ar jų grupes – ir kiekvienas GPU branduolys apdoroja savo dalį. Kai reikia apskaičiuoti, kokios spalvos turėtų būti milijonai pikselių, GPU daro tai žaibiškai greitai, nes visi tie tūkstančiai branduolių dirba lygiagrečiai.
Greičio lenktynės: kas laimi ir kodėl
Dabar prie įdomiausios dalies – greičio palyginimo. Ir čia viskas priklauso nuo to, ką tiksliai bandote padaryti.
Paprastiems vaizdams ar animacijoms, kur nereikia super sudėtingų skaičiavimų, GPU paprastai sutriuškina CPU. Ten, kur procesoriui prireiktų valandų, vaizdo plokštė gali susidoroti per minutes. Tai ypač pastebima dirbant su realiu laiku – žaidimų varikliuose kaip Unreal Engine ar Unity, kur GPU gali generuoti 30-60 kadrų per sekundę, o CPU tiesiog nesugebėtų taip greitai.
Tačiau kai reikia fotorealizmo, situacija tampa sudėtingesnė. Sudėtingi šviesos apskaičiavimai, daug atspindžių, skaidrios medžiagos, volumetriniai efektai – visa tai reikalauja daug „protavimo”. Čia CPU dažnai vis dar laimi kokybės prasme, nors ir dirba lėčiau. Tiesa, paskutiniais metais GPU rendering’o varikliai taip pat labai pažengė į priekį ir jau sugeba pasiekti beveik tokią pat kokybę.
Atminties žaidimai ir kiti techniniai niuansai
Vienas didelis skirtumas, apie kurį dažnai pamirštama, yra atmintis. CPU turi prieigą prie visos kompiuterio RAM – tai gali būti 32, 64 ar net 128 GB. GPU turi savo atskirą atmintį, kuri paprastai yra mažesnė – nuo 6 iki 24 GB vartotojų lygio plokštėse.
Tai reiškia, kad jei jūsų scena yra labai sudėtinga – daug objektų, didelės raiškos tekstūros, sudėtinga geometrija – ji tiesiog gali netelpa į GPU atmintį. Tada rendering’as sustoja arba kompiuteris pradeda naudoti lėtesnę sisteminę atmintį, ir visas greičio pranašumas išnyksta. CPU rendering’as tokių problemų neturi – jis gali naudoti visą turimą RAM.
Dar vienas aspektas – stabilumas ir patikimumas. CPU rendering’as yra brandesnė technologija, kuri egzistuoja dešimtmečius. Ji gerai ištestuota, stabili ir nuspėjama. GPU rendering’as, nors ir greitesnis, kartais gali būti kaprizingesnis – tvarkyklių problemos, suderinamumo klausimai, netikėti gedimai. Nors šiuolaikinės sistemos jau labai patikimos, profesionalai vis dar dažnai renkasi CPU svarbiausiems projektams.
Hibridiniai sprendimai: geriausias iš abiejų pasaulių
Protingi programuotojai suprato, kad nereikia rinktis – galima naudoti abu. Šiuolaikinės rendering’o sistemos vis dažniau siūlo hibridinį režimą, kai CPU ir GPU dirba kartu.
Pavyzdžiui, CPU gali užsiimti sudėtingais šviesos apskaičiavimais ir fizikos simuliacijomis, o GPU – greitu pikselių spalvų nustatymu ir tekstūrų apdorojimu. Arba sistema gali dinamiškai paskirstyti užduotis – paprastesnius dalykus siųsti GPU, o sudėtingesnius – CPU.
Tokios programos kaip Blender su Cycles rendering’u leidžia pasirinkti CPU, GPU arba abu vienu metu. Redshift, Octane, V-Ray – visos šios populiarios rendering’o sistemos dabar palaiko įvairius režimus. Tai suteikia lankstumo ir leidžia maksimaliai išnaudoti turimą įrangą.
Kainų klausimas ir investicijų grąža
Kalbant apie pinigus, situacija irgi įdomi. Galingas procesorius su daug branduolių gali kainuoti nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų. Profesionalios vaizdo plokštės – panašiai. Bet štai įdomybė: už tą pačią kainą GPU paprastai suteikia daugiau rendering’o galios nei CPU.
Pavyzdžiui, už 1000 eurų galite nusipirkti gerą 16 branduolių procesorių arba stiprią vaizdo plokštę. Rendering’o greičio prasme, ta vaizdo plokštė dažnai bus 3-5 kartus greitesnė paprastuose projektuose. Bet jei jūsų projektai labai sudėtingi ir reikalauja daug atminties, tas CPU gali būti geresnis pasirinkimas.
Taip pat verta pagalvoti apie elektros sąnaugas. GPU rendering’as naudoja daug energijos – galingos vaizdo plokštės gali „suvalgyti” 300-400 vatų. Jei renderinate nuolat, tai gali atsispindėti elektros sąskaitose. CPU taip pat naudoja energiją, bet paprastai efektyviau, ypač naujesni modeliai.
Praktiniai patarimai renkantis savo poreikiams
Jei kuriate vizualizacijas architektūrai ar produktams ir jums reikia maksimalaus fotorealizmo, CPU rendering’as vis dar yra saugus pasirinkimas. Investuokite į procesorių su kuo daugiau branduolių ir daug RAM – bent 32 GB, geriau 64 GB.
Žaidimų kūrėjams, animatorių, kurie dirba su realaus laiko sistemomis, arba tiems, kam svarbus greitis – GPU yra akivaizdus pasirinkimas. Rinkitės vaizdo plokštę su kuo daugiau atminties – 12 GB ar daugiau. NVIDIA RTX serijos plokštės turi specialius RT branduolius, skirtus spindulių sekimui, kas labai pagreitina rendering’ą.
Jei jūsų biudžetas leidžia, idealus variantas – stiprus CPU IR gera GPU. Taip turėsite maksimalų lankstumą ir galėsite rinktis geriausią įrankį kiekvienai užduočiai. Daugelis profesionalių studijų būtent taip ir daro.
Dar vienas patarimas – prieš perkant brangią įrangą, išbandykite debesų rendering’o paslaugas. Tokios platformos kaip AWS, Google Cloud ar specializuoti rendering’o ūkiai leidžia nuomoti galingus serverius valandai ar projektui. Tai gali būti ekonomiškesnis sprendimas, jei renderinate ne kasdien.
Ateities perspektyvos ir technologijų raida
Technologijos nestovi vietoje, ir rendering’o pasaulis keičiasi labai greitai. Pastaraisiais metais matome kelias įdomias tendencijas.
Pirma, GPU rendering’as tampa vis protingesnis. Naujos technologijos kaip NVIDIA OptiX ir AMD Radeon ProRender naudoja pažangius algoritmus, kurie leidžia GPU atlikti sudėtingesnius skaičiavimus. Dirbtinio intelekto technologijos, kaip DLSS ar denoising’as, leidžia pasiekti gerą kokybę su mažiau skaičiavimų.
Antra, CPU taip pat nepalieka lauko. Nauji AMD Ryzen Threadripper ir Intel Xeon procesoriai turi vis daugiau branduolių ir tampa efektyvesni. Kai kurie modeliai jau turi 64 branduolius ir gali konkuruoti su GPU tam tikrose užduotyse.
Trečia, matome vis daugiau hibridinių sprendimų ir paskirstytų sistemų. Rendering’o ūkiai, kur dešimtys ar šimtai kompiuterių dirba kartu, tampa prieinamesni net mažoms studijoms. Debesų technologijos keičia žaidimo taisykles – nebereikia turėti super galingo kompiuterio namuose, kai galite nuomoti jį internetu.
Įdomu ir tai, kad rendering’as vis labiau persikelia į realų laiką. Technologijos kaip Unreal Engine 5 su Lumen ir Nanite jau leidžia pasiekti beveik fotorealistinę kokybę realiuoju laiku. Tai reiškia, kad ateityje skirtumas tarp „rendering’o” ir „žiūrėjimo” gali visai išnykti – visa bus generuojama iš karto, kai žiūrite.
Kai pasirinkimas tampa aiškus
Grįžtant prie pradinio klausimo – GPU ar CPU rendering’as – atsakymas, kaip dažnai būna technologijose, yra „priklauso”. Bet dabar jau suprantate, nuo ko tiksliai priklauso.
Jei jums reikia greičio, dirbate su ne per daug sudėtingomis scenomis ir jūsų biudžetas ribotas – GPU yra puikus pasirinkimas. Jei siekiate maksimalios kokybės, dirbate su milžiniškais projektais ir turite laiko – CPU neapvils. O jei galite sau leisti – naudokite abu ir mėgaukitės lankstumu.
Svarbiausia suprasti, kad abi technologijos turi savo vietą. Jos nėra konkurentai, o greičiau papildantys vienas kitą įrankiai. Kaip dailininkas turi ir plačius teptukus dideliems plotams, ir plonyčius smulkioms detalėms, taip ir skaitmeninio turinio kūrėjas gali naudoti skirtingus įrankius skirtingoms užduotims.
Technologijos toliau tobulės, ir kas žino – galbūt už kelių metų šis klausimas taps nereikšmingas, kai kvantiniai kompiuteriai ar visai naujos architektūros pakeis žaidimo taisykles. Bet kol kas, suprasdami CPU ir GPU skirtumus, galite priimti protingus sprendimus ir maksimaliai išnaudoti savo įrangą.