NVIDIA GeForce GTX 1080 mit Pascal-Architektur im XXL-Test - Simultaneous Multi Projection

Eine der wichtigsten neuen Funktionen in der Pascal-Architektur ist die Simultaneous Multi Projection (SMP). Den ersten Schritt in diese Richtung machte NVIDIA mit der Maxwell-Architektur und Multi Resolution Shading (MRS). MRS beschreibt eine Technik zur Einsparung der Rechenleistung und macht sich dabei zu Nutzen, dass der Träger einer VR-Brille in den Randbereichen eine etwas geringere Auflösung ohnehin nicht mehr wahrnimmt.

Multi Resolution Shading noch einmal genauer erklärt:

Damit der Nutzer einer VR-Brille überhaupt in der Lage ist, auf einer Brille und den darin verbauten Displays etwas zu sehen, wird eine Optik verwendet, die das Bild entsprechend dem Betrachtungsabstand und gewünschtem Blickwinkel anpasst. Die Ausgabe auf dem Display erfolgt daher in einer Fisheye-ähnlichen Verzerrung und zudem wird das Bild an den Rändern noch gestaucht, damit nach der Optik ein für den Nutzer normales und unverzerrtes Bild entsteht. Da GPUs und die Rendering-Prozesse aber nicht darauf ausgelegt sind, ein solches Bild auszugeben, gehen die Hersteller hin und rendern das Bild auf gewöhnliche Art und Weise, um es in einem Post Processing entsprechend anzupassen. Diese nachträgliche Bearbeitung kostet zum einen Leistung, viel entscheidender aber ist, dass eine weitere Verzögerung bis zur Ausgabe des Bildes entsteht und gerade diese ist für ein möglichst optimales VR-Erlebnis störend.

NVIDIA GameWorks VR

NVIDIA wendet nun einen Trick an, um die nicht oder nur eingeschränkt sichtbaren Bereiche anders zu behandeln. Dazu wird das Bild in neun Bereiche aufgeteilt. Diese sogenannten Viewports orientieren sich in etwa an den sonst im Post Processing bearbeiteten Abschnitten. So wird der mit Abstand größte Viewport in der Mitte fast vollständig so belassen, wie er ursprünglich auch behandelt wurde. Die Seitenbereiche und vor allem die vier Ecken aber werden mit einer Art Komprimierung belegt und in ihrer Auflösung entsprechend dem gewünschten Endergebnis angepasst.

Alle neun Viewports werden gleichzeitig durch die GPU berechnet – allerdings getrennt voneinander. Die Ausgabe erfolgt schlussendlich in einer bereits fertig angepassten Form. Ein Post Processing ist damit nicht mehr notwendig. Durch die Aussparung von nicht sichtbaren Bereichen sowie der Anpassung der Auflösung der Ränder und einer zusätzlichen Komprimierung kommt NVIDIA auf eine erhöhte Pixel-Shader-Performance um den Faktor 1,3 bis 2 für die Maxwell-Architektur. Da auch Pascal die Viewports unterstützt, kann Multi Resolution Shading auch hier verwendet werden. Allerdings hat NVIDIA den Funktionsumfang mit Pascal erweitert und bietet nun neue Funktionen für die Verwendung der Viewports.

16 Viewports und Simultaneous Multi Projection

Neben den VR-Brillen kann eine Berechnung einer 3D-Szene aus einem anderen Blickwinkel heraus sinnvoll sein – beispielsweise wenn mehrere Monitore nebeneinander aufgestellt werden oder Curved-Displays zum Einsatz kommen. Multi-Monitor-Setups sind sicher noch immer nicht sonderlich weit verbreitet und dennoch geht NVIDIA ein Problem an, wenn mehr als ein Monitor verwendet wird. Denn bei der Umrechnung der 3D-Szene in ein 2D-Bild auf dem Monitor wird nicht mit einbezogen, dass das Bild eigentlich für jeden Monitor einzeln berechnet werden müsste, um einen realistischen Blickwinkel zu erreichen. NVIDIA verwendet dazu die bereits erwähnten Viewports, die auch schon in der Maxwell-Architektur verwendet wurden. Während Maxwell mit 9 Viewports umgehen kann, sind bei Pascal bis zu 16 Viewports möglich. Mit Simultaneous Multi Projection wird für jeden Monitor eine eigene Projektion berechnet. Das Video zeigt den Effekt bei einem Multi-Monitor-Setup am deutlichsten.

Interessant ist dies aber eben nicht nur für Multi-Monitor-Setups, sondern vor allem bei VR-Anwendungen. Dort können diese 16 Viewports verwendet werden, um die zwei Bilder für die 3D-Darstellung in einem einzigen Durchlauf zu berechnen. Auch bei Simultaneous Multi Projection soll die durch die Linsen vorgenommene Anpassung bereits im Vorfeld mit einbezogen werden. Dazu verwendet NVIDIA das sogenannte Lens Bend Shading. Dabei wird jedes Bild pro Auge in vier Tiles eingeteilt. Diese vier Flächen sind in einer Halbschale zueinander ausgerichtet. Bei 16 Viewports, die von der Pascal-Architektur unterstützt werden, wären auch acht Tiles pro Auge möglich. NVIDIA selbst spielt laut eigenen Angaben aber noch mit der Technik und will hier auch keine Vorgaben machen. Stattdessen will man für Simultaneous Multi Projection eine Art SDK anbieten, auf das Entwickler direkt zugreifen können. Neben Multi-Monitor-Setups und VR-Brillen sollen entsprechende Anpassungen auch für Curved-Monitore möglich sein. Die Anpassung an die Krümmung eines Curved-Monitors oder den Winkel, den die Monitore zueinander haben, erfolgt im Control Panel des NVIDIA-Treibers mit Hilfe von Hilfslinien.

Simultaneous Multi Projection

Simultaneous Multi Projection ist Teil der PolyMorph Engine 4.0. Innerhalb der Rendering-Pipeline wird die SMP nach der Shader-Berechnung und vor dem Rasterizer ausgeführt (Input Assembler —> Vertex/Tessellation/ Geometry Shader —> SMP —> Setup Raster —> Pixel Shader). In VR-Anwendungen erreicht die GeForce GTX 1080 die doppelte Leistung gegenüber der GeForce GTX Titan X bei dreifacher Effizienz. Simultaneous Multi Projection ist dabei für ein Performance-Plus von 50 bis 60 Prozent verantwortlich.

Dieses Leistungsplus kann auch durch einige Zahlen untermauert werden. So müssen für die Oculus Rift 4,2 Megapixel berechnet werden Bei einem konservativen Preset ist eine Einsparung von 2,8 Megapixel möglich, was wiederum einen 1,5 höheren Pixeldurchsatz zur Folge hat. Da die Geometrie-Daten nur einmal berechnet werden sollen, ist der Durchsatz hier sogar doppelt so hoch. Laut NVIDIA ist das Simultaneous Multi Projection getaufte Verfahren etwas effizienter als Multi Resolution Shading, allerdings kann MRS nicht durch eine SMP ersetzt werden (und umgekehrt), denn die Verfahren sprechen unterschiedliche Einsatzzwecke an, habe beide aber eine Einsparung hinsichtlich der Leistung zu verzeichnen.

Simultaneous Multi Projection kann auch genutzt werden, um einerseits eine Darstellung in der VR-Brille zu berechnen, auf der anderen Seite aber auch eine klassische Monitor-Darstellung (z.B. um dies zu streamen) oder anderweitig zur Verfügung zu stellen.