[논문]OpenGL과 Unity간의 GPU를 이용한 Particle Simulation의 성능 비교

김민상; 성낙준; 최유주; 홍민

doi:10.3745/ktsde.2017.10.479

초록
AI-Helper

최근 GPGPU를 이용하여 저하된 컴퓨터 성능 향상폭을 높일 수 있게 되었고, 이로 인하여 높은 연산을 요구로 하는 물리 기반의 실시간 시뮬레이션을 PC에서 구동할 수 있게 되었다. 물리 시뮬레이션에서 적용되는 물리 계산은 병렬 처리로 수행되어질 수 있으며, 최근 OpenGL 4.3 및 Unity4.0에서 지원되는 Compute shader를 통한 병렬 연산을 이용하면 효율적으로 구동할 수 있다. 본 논문에서는 다양한 플랫폼을 지원하는 디지털 콘텐츠 제작 툴인 Unity와 다양한 플랫폼에서 구동되어지는 OpenGL에서의 실시간 물리 시뮬레이션에서의 성능을 측정 및 비교한다. 본 논문에서 particle 시뮬레이션의 실험 결과 Unity를 이용한 particle 시뮬레이션이 OpenGL을 이용한 particle 시뮬레이션에 비해 최대 136.04% 빠른 성능을 보인다. 이를 통하여 추후 멀티 플랫폼을 지원하는 디지털 콘텐츠를 제작함에 있어 더 나은 개발 도구를 선정할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, GPGPU has been able to increase the degradation of computer performance, and it is now possible to run physically based real-time simulations on PCs that require high computational complexity. Physical calculations applied in physics simulation can be performed by parallel processing, and ...

Recently, GPGPU has been able to increase the degradation of computer performance, and it is now possible to run physically based real-time simulations on PCs that require high computational complexity. Physical calculations applied in physics simulation can be performed by parallel processing, and can be efficiently performed using parallel computation using Compute shader recently supported by OpenGL 4.3 and Unity 4.0. In this paper, we measure and compare the number of performance in real - time physics simulation in OpenGL running on various platforms and Unity, a content creation tool supporting various platforms. Particle simulation experiments show that particle simulation using Unity performs faster than 136.04%. It is expected that it will be able to select better development tools for future multi - platform support.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

3 버전부터 추가된 compute shader를 이용하면 GPU를 이용하여 렌더링 파이프라인 이외에도 병렬 프로그래밍 연산을 수행 할 수 있다. 본 논문에서는 같은 shader 언어인 GLSL을 사용하는 그래픽 라이브러리 OpenGL과 게임 엔진인 Unity간의 렌더링 및 연산에 대한 성능 비교를 수행한다.

제안 방법

본 시뮬레이션 시스템에서는 이러한 방식을 응용하여 일정한 시간의 particle들의 위치에 따라 다음 시간단위 뒤의 particle들의 위치를 구하는 방식을 사용하였다. particle들에 가해지는 힘은 중력가속도 G와 particle의 질량 m의 곱으로 표현할 수 있으며 특정한 외부의 힘이 없다면 particle의 가속도는 a=G로 표현될 수 있다.

데이터처리

이후에는 직육면체와의 충돌 여부를 검사한 후, 구와의 충돌 검사를 수행한다. Particle들과 다른 물체들 간의 간단한 충돌 및 반응을 반영하기 위해 직육면체와의 충돌 시에는 x, y, z의 값만을 비교하며, 구와의 충돌 시에는 particle들의 위치와 구의 중심과의 거리를 이용하여 충돌 여부를 판단하였다.
따라서 각각의 환경에서 수직 동기화를 해제하였다. Unity의 경우 상단 메뉴의 Edit의 하위 메뉴 중 Project Settings의 하위 메뉴 중 Quality 메뉴에서 V Sync Count 항목에서 Don’t Sync로 설정하였고, OpenGL의 경우 GLFW 라이브러리에서 제공하는 glfwSwapInterval 메소드의 parameter 값에 0을 넘겨주어 수직 동기화를 해제하여 실험하였다.
OpenGL의 경우 ISO/IEC 14882:2011 (C++11)에서 제공하는 chrono 헤더 파일 내의 system_clock::now() 메소드를 이용하여 이전 프레임으로부터의 시간을 millisecond 단위로 계산하였다. 본 논문에서는 보다 정확한 결과값을 비교하기 위해 200 프레임 동안의 시간을 누계한 후 이의 역수를 구하여 초당 렌더링한 프레임 수(frames per second: fps)를 구하였다. 각 시뮬레이션은 10회 반복 실행한 후 평균값을 사용하여 Fig.

이론/모형

4와 같다. Compute shader 내부에서는 앞서 설명한 4차 Runge-Kutta 방법을 이용하여 particle들의 다음 위치를 계산한다. 이후에는 직육면체와의 충돌 여부를 검사한 후, 구와의 충돌 검사를 수행한다.
본 논문에서는 다양하게 가상의 물체와 반응하여 움직이는 particle의 움직임을 계산하기 위해 수치적분을 이용하였다[7-8]. 수치적분은 각각의 particle에 가해지는 힘으로부터 현재 시간으로부터 일정한 시간(∆t)이 지난 뒤의 particle들의 가속도를 구할 수 있다.

성능/효과

1960년대부터 Moore’s Law에 따른 컴퓨터 하드웨어 성능의 발전으로 인해 CPU(Central Processing Unit)의 성능이 꾸준히 증가하였으며, 2000년대 중반을 이후로는 단일 프로세서에서의 Moore’s Law가 깨지게 되면서 컴퓨터 연산 속도의 발전에 한계가 발생하였다. 그러나 GPU(Graphics Processing Unit)의 성능은 꾸준히 Moore’s Law를 따르게 되면서 GPU를 기반으로 하는 Nvidia의 CUDA(Compute Unified Device Architecture)를 필두로 한 GPGPU(General Purpose computing on Graphics Processing Unit)을 통해 개인용 컴퓨터에서도 물리 법칙이 적용된 보다 현실적인 시뮬레이션 결과를 실시간으로 렌더링 할 수 있게 되었다[1].
10에서 particle의 수와 Unity/OpenGL의 fps의 성능 비율은 거의 선형적인 관계를 보인다. 더 많은 particle들을 적용하여 시뮬레이션을 수행할수록 Unity에서의 성능 향상률이 증가한다. 전반적인 결과로 compute shader를 이용한 물리 기반의 실시간 시뮬레이션을 구동하는 환경으로는 Unity가 OpenGL에 비해 최소 6%에서 최대 136%정도 더 나은 성능을 보이는 것으로 나타났다.
최근 GPGPU를 이용하여 컴퓨터의 연산 성능을 비약적으로 증가시킬 수 있게 되었고 이에 따라 계산이 비교적 많이 요구되는 물리 기반의 시뮬레이션을 PC에서 실시간으로 실행할 수 있게 되었다. 본 논문에서는 GLSL에서 일반적인 용도로 GPU를 이용하여 계산을 할 수 있는 compute shader를 이용하여 OpenGL과 Unity에서의 particle 시뮬레이션의 성능을 비교하였으며 실험 결과 Unity를 이용할 경우 OpenGL을 이용하여 구현한 particle 시뮬레이션보다 최대 136%의 성능을 얻을 수 있었다.
더 많은 particle들을 적용하여 시뮬레이션을 수행할수록 Unity에서의 성능 향상률이 증가한다. 전반적인 결과로 compute shader를 이용한 물리 기반의 실시간 시뮬레이션을 구동하는 환경으로는 Unity가 OpenGL에 비해 최소 6%에서 최대 136%정도 더 나은 성능을 보이는 것으로 나타났다.

후속연구

추후 물리 기반의 시뮬레이션을 적용하는 콘텐츠를 제작하고 하는 개발자들이 구현 방법에 대한 가이드라인으로 활용 할 수 있으리라 기대한다. 또한 본 논문의 결과를 기반으로 향후 다양한 물리 기반의 디지털 콘텐츠 제작을 위해 cloth, 변형물체 등 다양한 시뮬레이션 및 개발 플랫폼에 대한 연구와 다양한 개발 플랫폼에 대한 연구를 진행할 계획이다
추후 물리 기반의 시뮬레이션을 적용하는 콘텐츠를 제작하고 하는 개발자들이 구현 방법에 대한 가이드라인으로 활용 할 수 있으리라 기대한다. 또한 본 논문의 결과를 기반으로 향후 다양한 물리 기반의 디지털 콘텐츠 제작을 위해 cloth, 변형물체 등 다양한 시뮬레이션 및 개발 플랫폼에 대한 연구와 다양한 개발 플랫폼에 대한 연구를 진행할 계획이다

참고문헌 (14)

Alan Patterson, Nvidia CEO says Moore's Law is dead [Internet], http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id 1331836.
Fedscoop, The Era of AI Computing [Internet], https://www.fedscoop.com/era-ai-computing/.
D. Sulsky, S. J. Zhou, and H. L. Schreyer, "Application of a particle-in-cell method to solid mechanics," Computer Physics Communications, Vol.87, Issues 1-2, pp.236-252, 1995.

상세보기
Unity, Compute Shaders [Internet], https://docs.unity3d.com/Manual/ComputeShaders.html.
Khronos Group, OpenGL Shading Language [Internet], https://www.khronos.org/opengl/wiki/OpenGL_Shading_Language.
Rost, Randi J. Bill Licea-Kane, Dan Ginsburg, John Kessenich, Barthold Lichtenbelt, Hugh Malan, Mike Weiben, "OpenGL shading language," Pearson Education, 2009.
Davis, Philip J., and Philip Rabinowitz, "Methods of numerical integration," Courier Corporation, 2007.
Ryckaert, Jean-Paul, Giovanni Ciccotti, and Herman JC Berendsen, "Numerical integration of the cartesian equations of motion of a system with constraints: molecular dynamics of n-alkanes," Journal of Computational Physics, Vol.23, No. 3, pp.327-341, 1977.

상세보기
Fourth Order Runge-Kutta [Internet], http://lpsa.swarthmore.edu/NumInt/NumIntFourth.html.
Knronos Group, Compute Shader [Internet], https://www.khronos.org/opengl/wiki/Compute_Shader.
AnandTech, Khronos Announces OpenGL ES 3.0, OpenGL 4.3, ASTC Texture Compression, & CLU [Internet], http://www.anandtech.com/show/6134/khronos-announces-opengl-es-30-opengl-43-astc-texture-compression-clu/3.
Unity, Shading Language used in Unity [Internet], https://docs.unity3d.com/Manual/SL-ShadingLanguage.htm.
Young-Hwan Choi, Min Hong, Seung-Hyun Lee, Yoo-Joo Choi, "The Performance Analysis of GPU-based Cloth simulation according to the Change of Work Group Configuration," Journal of Internet Computing and Services, pp.29-36, 2017.
Wikipedia, Vsync [Internet], https://en.wikipedia.org/wiki/Vsync_(computing).

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