レイトレーシングとGoroutine

by Takumasa Sakao

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レイトレーシングと Goroutine golang.tokyo #20 @sachaos

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自己紹介 • @sachaos (サカオスと読みます) Twitter, GitHub もこれでやってます。フォローしてくれると嬉しいです。 • 所属: 株式会社アカツキ新卒 3 年目技術基盤開発主に GAE/Go を触っています。 Go エンジニア募集中です。

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レイトレーシングとは？ • 3D を描画する手法の一つ。 • Pros 光の反射を綺麗に描画できる。アルゴリズムが直感的。 • Cons 非常に計算時間がかかる • リアルタイムに描画しなければならないゲームではあまり使われていない • 映画など予め描画して映像を作成できれば済むようなものに使用される

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そもそも我々はどのようにして物を”視る“のか？僕は赤を強く反射する赤い

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そもそも我々はどのようにして物を”視る“のか？僕は赤を強く反射する赤いそもそも我々はどのようにして物を”視る“のか？ • 光源が光を発する • 光は空間内の物体にぶつかったら反射・屈折する • 反射・屈折してたまたま目に入った光から情報を結合して物を認識する。

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レイトレーシングでは逆にカメラからレイ(視線)を飛ばす僕は赤を強く反射する

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レイトレーシングでは逆にカメラからレイ(視線)を飛ばす僕は赤を強く反射する • スクリーンの各ピクセルからレイ(視線)を飛ばす • 空間内の物体に衝突したら反射・屈折させる • 再帰的に最終的なピクセルの色を計算するレイトレーシングでは逆にカメラからレイ(視線)を飛ばす

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これを Go でフルスクラッチ実装してみました • https://github.com/sachaos/go-simple-raytracer • 実装的にはそこまで難しくはない • 高校数学(ベクトル)を理解できていればコーディングできます

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主な部品

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カメラ • ピクセル毎にレイ(視線) を飛ばす。 • アンチエイリアス: ピクセル毎にランダムに N個のレイを飛ばす。 N=3 N=100

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反射するマテリアル • 金属、鏡のような質感の物 • 単純にベクトルを反射させる入射レイ反射レイ

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乱反射するマテリアル • マットな質感の物 • レイが来た時にランダムに反射させるランダムに方向を決める入射レイ

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Go を使うメリット • 標準パッケージで十分書ける image/png で PNG を吐き出したりがシュッとできる。ベクトル計算は筋肉で書きました。 • レイトレーシングは並行処理が可能 Goroutine で計算することができる！ (補足: 本来は GPU で並列計算します)

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筋肉で書いた vector.go

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並行処理が可能なのでシュッと Goroutine にしてみる • これで速くなるはず！

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並行処理が可能なのでシュッと Goroutine にしてみる • これで速くなるはず！ • 実際にやってみると速くならない！！！むしろ遅くなった (51s => 1m24s)

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なぜか？ pprof を使って見てみる • rand/math が原因である事がわかった。 • rand/math は goroutine safe でロックを取っているので競合してしまう。

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mono0x/prand を使ってみた • https://github.com/mono0x/prand • rand を複数作っておいてプールして使い回す実装の様子 • Goroutine 間で競合が起こるのを防ぐ事ができる。

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問題解消、速くなった！ • 51s => 30s に！

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Go で書いた感想 • シュッと Goroutine が決まると気持ちいい • 標準パッケージだけでもこんなに遊べるので Go は楽しい • 演算子オーバーロードできないのはベクトル演算の時に若干辛かった

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ご静聴ありがとうございました