Multithreading for Visual Effects

Chapter 7

OpenSubdiv: Interoperating GPU Compute

and Drawing

Manuel Kraemer

Pixar Animation Studios

7.1 Representing Shapes . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 164

7.1.1 Why Fast Subdivision? . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . 165

7.1.2 Legacy . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . 165

7.1.3 OpenSubdiv . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . 166

7.2 The Control Cage . . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 166

7.2.1 Patches and Arbitrary Topology . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . 166

7.2.2 Topological Data Structures . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 167

7.2.3 Manifold Surfaces . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 167

7.2.4 The Limit Surface . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 168

7.3 Uniform Subdivision . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 169

7.3.1 Implementing Subdivision Schemata . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 169

7.4 Serializing the Mesh Representation . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . 170

7.4.1 Case Study: Subdividing a Pyramid . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 170

7.4.2 Generating Indexing Tables . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . 170

7.4.3 Preparing for Parallel Execution . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . 172

7.5 Transition from Multicores to Many-Cores. . . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . . 173

7.5.1 Streaming Multiprocessors and SIMT . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . 173

7.5.2 Practical Implementation with OpenCL . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . . 174

7.6 Reducing Branching Divergence . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . 175

7.6.1 Sorting Vertices by Type . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . 176

7.6.2 Further Vertex Sorting . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . 176

7.7 Optimization Trade-Offs . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . 179

7.7.1 Alternative Strategy: NVIDIA Dynamic Parallelism . . . . . . .. . . . . . . . .. 179

7.7.2 Alternative Strategy: Vertex Stencils . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . 180

7.7.3 Memory Bottlenecks . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

7.8 Evaluating Our Progress . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . 182

7.9 Fundamental Limitations of Uniform Subdivision . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . 183

7.9.1 Exponential Growth . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . 184

7.9.2 Geometric Fidelity . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . 184

7.9.3 Animating Subdivision Surfaces . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . 185

7.9.4 Better, Faster, Different . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . 185

7.10 Feature-Adaptive Subdivision . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . 186

7.10.1 GPU Hardware Tessellation . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . 186

7.10.2 Catmull-Clark Terminology . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . .. . . . . 187

7.10.3 Bi-Cubic Patch Representation . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .. . . . . . . . 188

7.10.4 Feature-Adaptive Subdivision . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . 189

7.11 Implementing the GPU Rendering Engine . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . 190

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