PhysX3.4文档(11) -- GPU Rigid Bodies

GPU Rigid Bodies

Introduction

GPU刚体(GPU Rigid Bodies)是 PhysX 3.4 中引入的一项新功能。它支持整个刚体管线特征集(rigid body pipeline feature-set)，但目前不支持Articulations。GPU加速刚(GPU-accelerated rigid bodies)体的状态可以使用与 CPU 刚体的修改和查询完全相同的 API 进行修改(modify)和查询(query)。GPU 刚体可以与服装(clothing)和粒子(particles)交互，就像 CPU 刚体可以轻松地与角色控制器 (CCT) 和车辆结合使用一样。

Using GPU Rigid Bodies

GPU 刚体并不比 CPU 刚体更难使用。GPU 刚体使用与 CPU 刚体完全相同的 API 和类。GPU 刚体加速基于每个场景启用。如果启用，则占据场景的所有刚体都将由 GPU 处理。此功能在 CUDA 中实现，需要 SM3.0(Kepler)或更高版本的兼容 GPU。如果未找到兼容设备，则模拟将回退到 CPU 上，并提供相应的错误消息。

该特征分为两个部分:刚体动力学(rigid body dynamics)和粗检测(broad phase)。这些是使用PxSceneFlag::eENABLE_GPU_DYNAMICS并将PxSceneDesc::broadphaseType设置为PxBroadPhaseType::eGPU来启用的。这些属性是场景的不可变属性。此外，您必须初始化 CUDA 上下文管理器(CUDA context manager)，并在 PxSceneDesc 上设置 GPU 调度程序(GPU dispatcher)。这也是使用GPU加速粒子或服装的要求。SnippetHelloGRB 中提供了演示如何启用 GPU 刚体仿真的代码段。下面的代码示例用作简要参考:

PxCudaContextManagerDesc cudaContextManagerDesc;

gCudaContextManager = PxCreateCudaContextManager(*gFoundation, cudaContextManagerDesc);

PxSceneDesc sceneDesc(gPhysics->getTolerancesScale());
sceneDesc.gravity = PxVec3(0.0f, -9.81f, 0.0f);
gDispatcher = PxDefaultCpuDispatcherCreate(4);
sceneDesc.cpuDispatcher = gDispatcher;
sceneDesc.filterShader  = PxDefaultSimulationFilterShader;
sceneDesc.gpuDispatcher = gCudaContextManager->getGpuDispatcher();

sceneDesc.flags |= PxSceneFlag::eENABLE_GPU_DYNAMICS;
sceneDesc.broadPhaseType = PxBroadPhaseType::eGPU;

gScene = gPhysics->createScene(sceneDesc);

启用 GPU 刚体动态(GPU rigid body dynamics)可启用 GPU 加速的接触生成(GPU-accelerated contact generation)、shape/body管理和 GPU 加速的约束求解器。这加速了大部分离散刚体管道。

打开 GPU 粗检测会将 CPU 粗检测(CPU broad phase)替换为 GPU 加速粗检测(GPU-accelerated broad phase)。

每个都可以独立启用，因此，例如，您可以在 CPU rigid body dynamics 上启用 GPU 粗检测，在 GPU rigid body dynamics 上启用 CPU 粗检测(SAP 或 MBP)，或者在 GPU rigid body dynamics 上启用 GPU 粗检测。

What is GPU accelerated?

GPU 刚体功能提供 GPU 加速的实现:

  • Broad Phase
  • Contact generation
  • Shape and body management
  • Constraint solver

所有其他功能都在 CPU 上执行。

GPU 接触生成(Contact generation)有几个注意事项。具体如下:

  • GPU 接触生成仅支持boxes、convex hulls、triangle meshes和heightfields。任何spheres，capsules或planes都将具有涉及在CPU而不是GPU上处理的那些形状的接触生成。
  • convex hulls需要将 PxCookingParam::buildGRBData 设置为 true，以构建在 GPU 上执行接触生成所需的数据。如果使用具有 64 个以上顶点或每个面超过 32 个顶点的convex hulls，则将在 CPU 上对其进行处理。如果在创建convex hulls时使用 PxConvexFlag::eGPU_COMPATIBLE 标志，则应用 limit 以确保生成的convex hulls可以在 GPU 上使用。
  • triangle meshes需要将 PxCookingParam::buildGRBData 设置为 true，以构建在 GPU 上处理网格所需的数据。如果在cooking过程中未设置此标志，则网格的 GPU 数据将不存在，并且将在 CPU 上处理涉及此网格的任何接触生成。
  • 任何请求触点修改的对都将在 CPU 上进行处理。
  • 必须启用 PxSceneFlag::eENABLE_PCM 才能执行 GPU 接触生成。这是在 GPU 上实现的唯一接触生成形式。如果未引发eENABLE_PCM，则将使用非基于距离的传统接触生成在 CPU 上处理所有对的接触生成。

无论给定对的触点生成是在 CPU 上还是在 GPU 上处理的，GPU 求解器都将处理所有具有在其筛选器着色器(filter shader)中请求碰撞响应(collision response)的触点的对。

如上所述，GPU 刚体目前不支持Articulations。如果在场景中启用了 eENABLE_GPU_DYNAMICS ，则任何向场景添加Articulations的尝试都将导致显示错误消息，并且不会将该Articulations添加到场景中。

GPU 刚体求解器为joint和contact提供全面支持。但是，使用D6 joints可以获得最佳性能，因为 GPU 本身支持D6 joints，即从准备到求解的完整求解器管道在 GPU 上实现。GPU 求解器支持其他关节类型，但它们的joint shaders在 CPU 上运行。与D6 joints相比，这会产生一些额外的主机端性能开销。

Tuning

与 CPU PhysX 不同，GPU 刚体功能无法动态增大所有缓冲区。因此，有必要为 GPU 刚体功能提供一些固定的缓冲区大小。如果可用内存不足，系统将发出警告并丢弃触点/约束/对，这意味着该行为可能会受到不利影响。以下缓冲区在 PxSceneDesc::gpuDynamicsConfig 中可调:

struct PxgDynamicsMemoryConfig
{
        PxU32 constraintBufferCapacity; //!< Capacity of constraint buffer allocated in GPU global memory
        PxU32 contactBufferCapacity;    //!< Capacity of contact buffer allocated in GPU global memory
        PxU32 tempBufferCapacity;       //!< Capacity of temp buffer allocated in pinned host memory.
        PxU32 contactStreamCapacity;    //!< Capacity of contact stream buffer allocated in pinned host memory. This is double-buffered so total allocation size = 2* contactStreamCapacity.
        PxU32 patchStreamCapacity;      //!< Capacity of the contact patch stream buffer allocated in pinned host memory. This is double-buffered so total allocation size = 2 * patchStreamCapacity.
        PxU32 forceStreamCapacity;      //!< Capacity of force buffer allocated in pinned host memory.
        PxU32 heapCapacity;             //!< Initial capacity of the GPU and pinned host memory heaps. Additional memory will be allocated if more memory is required.
        PxU32 foundLostPairsCapacity;   //!< Capacity of found and lost buffers allocated in GPU global memory. This is used for the found/lost pair reports in the BP.


        PxgDynamicsMemoryConfig() :
                constraintBufferCapacity(32 * 1024 * 1024),
                contactBufferCapacity(24 * 1024 * 1024),
                tempBufferCapacity(16 * 1024 * 1024),
                contactStreamCapacity(6 * 1024 * 1024),
                patchStreamCapacity(5 * 1024 * 1024),
                forceStreamCapacity(1 * 1024 * 1024),
                heapCapacity(64 * 1024 * 1024),
                foundLostPairsCapacity(256 * 1024)
        {
        }
};

对于模拟大约 10,000 个刚体的场景，默认值通常已足够。

  • constraintBufferCapacity 定义求解器中的约束(constraints)可以占用的内存总量。如果需要更多内存，则会发出警告，并且不会创建其他约束。
  • contactBufferCapacity 定义约束求解器中使用的临时接触(temporary contact)缓冲区的大小。如果需要更多内存，则会发出警告并丢弃触点。
  • tempBufferCapacity 定义用于约束求解器(constraint solver)中使用的各种瞬态内存分配的缓冲区的大小。
  • contactStreamCapacity 定义用于在触点流(contact stream)中存储触点的缓冲区的大小。此数据在固定主机内存中分配，并经过双重缓冲。如果分配的内存不足，将发出警告并删除触点。
  • patchStreamCapacity 定义用于在触点流中存储contact patches的缓冲区的大小。此数据在固定主机内存中分配，并经过双重缓冲。如果分配的内存不足，将发出警告并删除触点。
  • forceStreamCapacity 定义了用于向用户报告施加的接触力的缓冲区的大小。此数据在固定主机内存中分配。如果分配的内存不足，将发出警告并删除触点。
  • heapCapacity定义 GPU 和固定主机内存堆的初始大小。如果需要更多内存，将分配额外的内存。物理分配内存的成本可能相对较高，因此使用自定义堆分配器来降低这些成本。
  • foundLostPairsCapacity 定义了 GPU 粗检测在单个帧中可以产生的最大发现或丢失的对数。这不会限制对的总数，而只会限制在单个帧中可以检测到的新对或丢失的对数。如果在帧中检测到或丢失了更多对，则会发出错误，并且粗检测会丢弃对。

Performance Considerations

在具有数千个活动刚体的场景中，GPU 刚体可以提供比 CPU 刚体非常大的性能优势。但是，需要考虑一些性能注意事项。

GPU刚体目前仅加速涉及convex hulls和boxes的接触生成(针对boxes、convex hulls、triangle meshes和heightfields)。如果您大量使用其他形状，例如capsules或spheres，则涉及这些形状的接触生成将仅在CPU上处理。

D6 joints在与 GPU 刚体一起使用时将提供最佳性能。其他关节类型将部分GPU加速，但性能优势将小于D6 joints所表现出的性能优势。

具有超过 64 个顶点或每个面具有超过 32 个顶点的convex hulls将由 CPU 而不是 GPU 处理其触点，因此，如果可能，请将顶点计数保持在这些限制范围内。可以在cooking中定义顶点限制，以确保cook好的convex hulls不超过这些限制。

如果您的应用程序大量使用触点修改(contact modification)，这可能会限制在 GPU 上执行触点生成的对数。

修改Actor的状态会强制将数据重新同步到GPU，例如，如果应用程序调整全局pose，则必须更新Actor的transform，如果应用程序修改body的速度，则必须更新速度等。将数据重新同步到GPU的相关成本相对较低，但应予以考虑。

joint projection、CCD 和触发器等功能不能使用 GPU 加速，而是在 CPU 上处理的。

PhysX

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