نگاهی به کاربردهای كارت‌هاي گرافيكي Quadro در حوزه جلوه‌های بصری

[alksdj]

سکانس زلزله در فیلم 2012‌، بیش از هفت هزار فریم بود که در صورت استفاده از یک سیستم واحد، رندر آن به شانزده سال زمان نیاز داشت. از سويي با استفاده از سیستم‌های پیشرفته هم ممکن بود رندر تنها یک فریم از این فیلم چندین روز طول بکشد و این يعني در چنین پروژه‌هایی، جایی برای آزمون و خطا وجود ندارد و پیش از رندرگیری نهایی باید تکلیف جلوه‌ها و صحت اجرای آن‌ها روشن شده باشد، زیرا وقتی برای رندر یک فریم باید ساعت‌ها و روزها انتظار کشید، به پایان بردن یک فیلم که چندین هزار فریم دارد به یک امر محال تبدیل خواهد شد. اینجا است که راهکارهای مناسب برای کاهش این مدت انتظار در اولویت قرار می‌گیرند.
هنرمند می‌خواهد هنر خود را عرضه کند و محدودیت‌‌هاي زماني سخت‌افزاري دست او را می‌بندد. Nvidia فهرستي از کاربردها را برای GPUهای خود ردیف کرده است و با افتخار از امكانات فناوری‌ها و راهکارهای خود در عرصه پردازش‌گرافیکی سخن می‌گوید. اکنون این شرکت به جایی رسیده که امکان استفاده از قابلیت پردازش موازی را به حوزه‌هایی فراتر از گرافیک و هنر و سرگرمی وارد کرده و كاربردهايي را در زمينه‌هاي مختلف از پزشکی گرفته تا امنیت را تحت پوشش قرار داده است. GPUها حتی به حوزه بسیار پیچیده پایگاه داده هم وارد شده‌اند‌. استفاده کسپرسکی از CUDA هم از دیگر کاربردهای GPUها است که در نوع خود جالب توجه است. در نوشته پیش‌رو به یکی از راهکارهای ارائه شده توسط شرکت Nvidia می‌پردازیم؛ کارت‌های Quadro که سری جدید آن‌ها مبتنی بر Fermi عرضه‌شده‌اند. در این جا چند مثال از دنیای جلوه‌های بصری ارائه خواهیم‌کرد تا نشان دهیم چطور Quadro و به‌طور کلی پردازش مبتنی بر GPU توانسته قابلیت‌های فراوانی را در اختیار هنرمندان و متخصصان قرار دهد.Quadro
شركت Nvidia با معرفی سری جدید Quadro، افق جدیدی را پیش روی گرافیک کامپیوتری، محاسبات و پردازش موازی مبتنی بر پردازنده‌های گرافیکی گشود. Quadro که بر پایه معماری Fermi بنا شده مي‌تواند 3,1 ‌ميليارد Triangle در ثانیه را محاسبه كند اين توان محاسباتي در نوع خود یک رکورد محسوب می‌شود. نرم‌افزارهای جدید با بهره‌گیری درست از توان پردازش موازی مبتنی بر CUDA که تراشه‌هاي گرافيكي Quadro ارائه می‌دهد، در اجرای وظایفی نظیر ري‌تريسينگ، پردازش ویديویی و دايناميك سيالات که محاسبات زیادی طلب می‌کنند به عملکرد سریع‌تري دست‌می‌یابند. قابلیت‌های پیشرفته‌ای نظیر استریوسکوپی سه‌بعدی، Scalable Visualization و پخش سه بعدی تلویزیونی با کیفیت بالا از دیگر ویژگی‌های سیستم‌های مبتنی بر Quadro است. با مرور قابلیت‌های Quadro آنچه که بیش از همه مشاهده می‌شود، بحث بي‌درنگ بودن محاسبات و انجام پردازش‌های پیچیده در کمترین زمان ممکن است. از طرفی در معماری Fermi تلاش شده تا برنامه‌نویسان حداکثر استفاده را از توان پردازش موازی پردازنده‌های گرافیکی داشته باشند. وجود این دو ویژگی، یعنی اجرای بي‌درنگ و بهبود قابلیت برنامه‌نویسی، می‌تواند یک کارت گرافیک را در حوزه‌ای بسيار مهم، يعني حوزه بازي‌هاي كامپيوتري به موفقيت برساند. در این صورت، بازی‌های کامپیوتری می‌توانند صاحب جلوه‌های ویژه‌ای نظیر فیلم‌ها شوند و کاربر سطح واقع‌گرایی بالاتری را تجربه خواهد كرد. طبق اعلام Nvidia سری Quadro در کاربردهای سه‌بعدی پنج برابر و در شبیه‌سازی‌ها هشت برابر سریع‌تر عمل می‌کند. بالابردن قابلیت استفاده در نرم‌افزارهای CAD، DCC و نرم‌افزارهای علمی و ایجاد مدل‌ها، صحنه‌ها و کار با داده‌هایی به مراتب پیچیده‌تر از آنچه پیش از این ممکن بوده است‌؛ استفاده از حجم بالایی (‌تا شش‌‌ گیگابایت‌) از حافظه سریع GDDR5 و فراهم کردن امکان شبیه‌سازی، تجزیه و تحلیل و مصورنمایی بي‌درنگ داده‌ها و مدل‌های بزرگ مواردی هستند که کارت‌های گرافیکی سری Quadro را پوشش می‌دهند.

سرعت بیشتر‌؛ جلوه‌های بصری بهتر
افزایش سرعت، نخستین و بدیهی‌ترین نتیجه استفاده از پردازش موازی است. این افزایش سرعت سبب صرفه‌جویی در هزینه و زمان می‌شود. در حوزه جلوه‌های بصری به‌خوبی می‌توان نتیجه این افزایش سرعت را احساس كرد. زمانی‌که سرعت انجام یک فرآیند در جلوه‌های بصری بالا می‌رود، هنرمندان و متخصصان می‌توانند با صرف زمان کمتری به انجام کارهای پیچیده‌تری دست بزنند و به‌عنوان مثال یک جلوه را بارها تکرار و آن‌ را اصلاح كنند. چیزی که در روش‌های دیگر قابل دستیابی نخواهد بود. هر سه فیلمی که امسال نامزد دریافت جایزه اسکار بهترین فیلم در شاخه جلوه‌های بصری شدند، ویژگی مشترکی داشتند و آن این‌که در ساخت جلوه‌های بصری این فیلم‌ها از فناوری‌گرافیکی Nvidia استفاده شده بود. پيشتازان فضا، ‌محدوده09‌ وآواتار سه فیلمی بودند که در هر سه آن‌ها قدرت تراشه‌هاي گرافيكي Nvidia و به ویژه سری Quadro کمک بزرگی به سازندگان كرد. شرکت ILM در ساخت جلوه‌های بصری فیلم پيشتازان فضا از ایستگاه‌های کاری مجهز به Quadro FX 5800 استفاده کرد. Image Engine نیز در ساخت محدوده 09 از کارت‌های Quadro بهره برد. Weta هم در آواتار ، ترکیب Quadro و Teslaرا مورد استفاده قرار داد.Wetaشركت Weta Digital مسئول اصلی جلوه‌های بصری فیلم آواتار ( اثر‌جیمز‌کامرون‌) بود. سکانس‌های جلوه‌های ویژه این فیلم به طور بی‌سابقه‌ای پیچیده بودند و برخی از جلوه‌های بصری آن شامل ميليارد‌ها چند ضلعي يا Polygon می‌شد که پردازش آن‌ها قدرت محاسباتی عظیمی را طلب می‌کرد. همین امر سبب شد، گروه سازنده، روی توسعه یک برنامه اختصاصی ري‌تريسينگ با استفاده از GPUها متمرکز شود. بنابر‌این، هرچند رندرهای نهایی Beauty-Pass توسط رندرمن صورت گرفت، اما به‌منظور بهینه‌سازی فرآیند، محاسبات سنگین چند ضلعي به یک مرحله Pre-Computation سپرده شد. در واقع مشکلی که گروه سازنده در‌صدد برطرف كردن آن بود بیشتر به High-Performance Computing مربوط می‌شد تا بحث رندر. ‌Weta می‌دانست مهار قدرت پردازش موازی که GPUها در حل مسائل عرضه می‌کنند در تخصص Nvidia است. بر‌همین اساس گروه با این شرکت شروع به همكاري كرد.
بخش تحقیق و توسعه Weta و Nvidia همکاری خود را به منظور توسعه نرم‌افزار ري‌تريسينگ که قادر بود با ميلياردها‌ چند ضلعي مورد نیاز در سکانس‌های پیچیده آواتار کار کند، آغاز كردند. حاصل این همکاری یک موتورپيش‌پردازش (Pre-Computation) جدید به نام PantaRay بود. به این طریق قدرت High-Performance Computing به جریان کاری جلوه‌های بصری Weta وارد شد. این سیستم ري‌تريسينگ قدرتمند به‌طور ویژه برای سرعت دادن به پيش‌پردازش اطلاعاتScene Occlusion مورد استفاده در سراسر خط رندر شرکت Weta به‌منظورپيش‌پردازش سریع و داینامیک نورپردازی Image-Based طراحی‌شده‌بود. این شیوه به Weta کمک کرد صحنه‌های پیچیده را در زمان كوتاه‌تر و با استفاده از حافظه کمتر و پردازنده‌های کمتر رندر كنند. این امر امکان تکرار صحنه‌ها و اصلاح آن‌ها و ایجاد تغییرات بیشتر را فراهم کرد و موجب ایجاد نماهايی از جلوه‌های ویژه بسیار واقع‌گرایانه‌تر شد. Weta پی برد که با اجرای PantaRay روی سیستم‌های مجهز به GPU می‌توانند جلوه‌ها را 25 بار سریع‌تر از سیستم‌های مبتنی بر CPU رندر کنند. به عنوان مثال، پيش‌پردازش یک نما که به‌طور معمول و با روش‌های پیشین یک هفته زمان می‌برد، با استفاده از PantaRay فقط یک روز و نیم زمان برد.
با این همکاری، Weta توانست صحنه‌هایی را بسازد که در گذشته به دلیل هزینه‌بالا وزمان‌بر بودن، قابل اجرا نبودند. این نتیجه موفقیت‌آمیز سبب شد که Weta بیش از پیش محاسبات مبتنی بر پردازنده‌های گرافیکی را دنبال‌کند و آن‌را به عنوان یک راهکار بپذیرد. Weta همچنان به دنبال را‌هكارهایی است که بتوان با استفاده از PantaRay و GPUها جریان کاری جلوه‌های بصری را باز هم تسریع کرد.

Sony Picture Imageworks
استفاده از نرم‌افزار رندر و اجرای آن روی پردازنده‌های گرافیکی Quadro به Sony Picture Imageworks کمک کرد تا در انیمیشن «‌ابری با احتمال بارش کوفته قلقلی‌» عناصر گردباد اسپاگتی را بسازد (شكل‌1‌). در نتیجه صحنه‌ای که رندر آن با استفاده از یک سیستم مبتنی بر CPU ، 45 دقیقه یا بیشتر طول می‌کشید با استفاده از GPU تنها در بيست ثانیه رندر می‌شد. صحنه گردباد اسپاگتی شامل عناصری بود که با استفاده از ابزار Volumetric Rendering اختصاصی SPI، یعنی SPLAT که برای اجرا روی پردازنده‌های گرافیکی Quadro طراحی شده است، رندر شد. بد نیست اشاره کنیم که جلوه‌های به‌کار رفته در این صحنه علاوه بر غبار، آتش و جرقه شامل سس گوجه فرنگی هم می‌شد!علاوه بر استفاده گسترده از GPU در فرآیند رندر، SPI از Quadro برای سیستم‌های مورد استفاده هنرمندان خود هم بهره برد.

برای مشاهده این لینک/عکس می بایست عضو شوید ! برای عضویت اینجا کلیک کنید
شکل 1 - گردباد اسپاگتی كه به كمك Quadro ايجاد شده است.

فیلم 2012
ضمن بررسی شبیه‌سازی‌های مربوط به نماهای فیلم 2012 در شماره 108 ماهنامه شبكه، اشاره‌ای هم به نقش Quadro محصول شرکت Nvidia داشتیم. نیازهای محاسباتی چنین فیلمی به حدی است که توان پردازشی فوق‌العاده‌ای را می‌طلبد. داده‌های مربوط به شبیه‌سازی‌ها در مقیاس پتابایت بودند و این یعنی به مبارزه طلبیدن سیستم‌های پردازشی. برای شبیه‌سازی آب که از جمله پیچیده‌ترین شبیه‌سازی‌ها به شمار می‌آید، بیش از 125 ایستگاه کاری پیکربندی شده با فناوری Nvidia مورد استفاده قرار گرفت که امکان ایجاد پیش نمایش‌های بي‌درنگ از شبیه‌سازی‌های مربوط به آب را فراهم مي‌كرد.

The Last Airbender
در این فیلم، شرکت ILM با کمک کارت‌های گرافیکی Quadro FX 5800 قادر بود، علاوه بر شبیه‌سازی سیال، از آن رندر هم بگیرد. ILM در نوشتن Fluid Solver شتابدهی شده با GPU از CUDA شرکت Nvidia به‌جای OpenGL استفاده کرد. آن‌ها معتقد بودند، برنامه‌نویسی CUDA بسیار ساده‌تر بوده و فرآیند توسعه را ساده می‌کند.

پخش برنامه‌های تلویزیونی
اما کاربرد GPUها فقط به ايجاد جلوه‌های بصری در سینما محدود نمی‌شود، بلکه کارایی آن در زمینه برنامه‌های تلویزیونی هم قابل توجه است. Nvidia براي نمونه فناوری جديدي را به منظور پخش زنده برنامه‌های تلویزیونی و به‌ویژه به طور سه‌بعدی عرضه کرده که قلب تپنده آن Quadro است. این راهکار که Nvidia نام بلندبالای Quadro Digital Video Pipeline را برای آن برگزیده است (شكل‌2‌)، تصویرگیری سه‌بعدی، گرافیک‌های سه‌بعدی بي‌درنگ‌، Encoding سه‌بعدی و پخش سه بعدی را به منظور نمایش روی سینمای خانگی یا کامپیوترهای شخصی ترکیب می‌كند و همه این موارد با کمک واحدهای پردازش گرافیکی شتابدهی شده امكان‌پذير می‌شود. به عنوان مثال، یک رقابت ورزشی به طور زنده و سه‌بعدی و از طریق اینترنت پخش می‌شود و كاربران کامپیوترهای مجهز به فناوری 3D Vision شرکت Nvidia می‌توانند از این پخش زنده لذت ببرند.

برای مشاهده این لینک/عکس می بایست عضو شوید ! برای عضویت اینجا کلیک کنید



شکل 2- Digital Video Pipeline شرکتNvidia‌؛ قابل استفاده در پخش سه بعدی‌؛ پخش دیجیتال‌؛ تولید فیلم و نیز
پخش روی اینترنت.

Quadro Digital Video Pipeline یک سیسـتم Production Workflow است که به‌طور چشم‌گیری تولید برنامه‌های زنده سه‌بعدی تلویزیونی را ساده‌سازی و تسریع می‌کند. واحدهای پردازنده گرافیکی Quadro مبتنی بر معماری Fermi ویژگی‌های دیگری نظیر الحاق بي‌درنگ گرافیک‌های سه‌بعدی، پخش ویديويی سه‌بعدی از طریق اینترنت و تدوین ویديويی سه‌بعدی با استفاده از Premiere Pro Creative Suite 5 شرکت ادوبي و پلاگین CineForm Neo3D را نیز به Quadro Digital Video Pipeline اضافه كرده است. در اینجا لازم است اشاره‌ای هم به Premiere Pro CS5 (محصول شرکت Adobe‌) داشته باشیم که به Mercury Playback Engine مجهز بوده و از این طریق قادر است با استفاده از قابلیت‌های محاسبات موازی به‌طور بي‌درنگ به پردازش جلوه‌های ویديویی و تدوین بپردازد. DVP نخستین پلتفرم مبتنی بر GPU یکپارچه شده برای ضبط، پردازش و ارائه بي‌درنگ ویديويی با وضوح بالا است که بر اساس CUDA و محاسبات موازی مبتنی بر آن پایه ریزی شده و یک راهکار کامل طراحی شده برای پخش تلویزیونی است. با استفاده از DVP امکان ترکیب نماهای زنده با جلوه‌های گرافیکی کیفیت بالا و لوازم مجازی در برنامه‌های تلویزیونی فراهم‌می‌شود. قابلیت‌های پیشرفته Quadro DVP کمک می‌کند تا برای نخستین‌بار یک ایستگاه کاری به‌طور همزمان قادر به پردازش فیدهای زنده از چهار دوربین HD شود و این ویژگی هزینه راهکارهای استودیوهای مجازی را کاهش می‌دهد.
با استفاده از GPU اعمالی نظیر کروماکی و اصلاح رنگ به‌طور مؤثری اجرا می‌شود.به ويژه خصوصیت اجراي بي‌درنگ سبب می‌شود که شخص در سر صحنه با اشیای مجازی به طور واقعی‌تری تعامل داشته باشد. قدرت پردازشی که Quadro DVP ارائه می‌دهد، به سازندگان برنامه‌های تلویزیونی اجازه می‌دهد محیط‌های مجازی بسازند که چندین برابر جزئیات بیشتری دارند. قدرت پردازش موازی حاصل از كودا پخش محتوای آنلاین را نیز دستخوش تغییرات اساسی خواهد کرد. Elemental Technologies که از پیشروان در زمینه فراهم‌کردن راهکارهای پردازش موازی ویديویی است از Quadro DVP به‌عنوان اساس Elemental Server استفاده کرده است. این سیستم پردازش ویديویی با استفاده از پردازنده‌های گرافیکی، Video Transcoding سریع با کیفیت بالا و کارآمد را از ورودی‌های اترنت یا SDI (‌سرنام Serial Digital Interface‌) فراهم می‌کند. با استفاده از فقط چهار واحد پردازش گرافیکی Nvidia، Elemental Server ضبط و Transcoding بي‌درنگ چندین فید ویديویی زنده 1080p را اجرا می‌کند؛ کاری که پیش از این به چهارده CPU چهار هسته‌ای نیاز داشت.

برای مشاهده این لینک/عکس می بایست عضو شوید ! برای عضویت اینجا کلیک کنید
شکل 3- پیکربندی Digital Video Pipeline برای پخش سه‌بعدی‌؛ چهار جریان ورودی ( دو جریان برای هر دوربین ) و دو جریان خروجی ( یک جریان برای هر چشم )‌.

به‌طور خلاصه، قابلیت‌های Quadro DVP را می‌توان چنین بر‌شمرد:
- قابليت ارسال ویديوی Uncompressed به‌طور مستقیم به حافظه پردازنده گرافیکی Quadro
- توانایی ضبط تا چهار منبع HD-SDI به‌طور همزمان
- ساخت جلوه‌های بصری پیچیده دو‌بعدی و سه‌بعدی
- Transcode ویديوی HD.
همه این‌کارها به‌صورت بي‌درنگ با کمک قابلیت محاسبات موازی كودا انجام می‌شود و جلوه‌ها به‌طور بي‌درنگ با ویديوی 2K، HD و SD ترکیب می‌شوند.

ثانیه‌های با ارزش
در این مقاله بیشتر روی افزایش سرعت فرآیند پردازش داده‌ها در کاربردهایی نظیر جلوه‌های بصری کامپیوتری تأکید‌داشتیم. زمانی‌که یک GPU قادر باشد، حجم عظیم داده‌ها را با سرعت مناسبی پردازش كند و به طور فرضي کاری را که سال‌ها زمان می‌برد، در مدتی معقول‌تر به پایان برساند‌، قطعاً صاحب قدرتی است که روز به روز بر اعتبار آن می‌افزاید. شاید ما در اینجا روی جلوه‌های بصری تأکید داشتیم، اما این قابلیت‌ها را می‌توان به سایر حوزه‌ها هم گسترش داد. پردازش بي‌درنگ داده‌هایی در مقیاس پتابایت با هزینه مناسب یک دستاورد بزرگ است که به يقين Quadro را به یک قهرمان تبدیل می‌کند. البته، از شگردهای تبلیغاتی شرکت‌هایی نظیر Nvidia هم نباید غافل شد. به طور كلي، نتیجه تلاش‌های Nvidia و نگاهی به راهکاری نظیر Quadro نشان می‌دهد که «‌با سفر در دنیای موازی، زمان کند می‌شود !» و Nvidia این موضوع را به خوبی ثابت می‌کند.