1 of 15

Разработка и анализ метода симуляции воды на основе системы частиц для гибридных систем с двумя видеокартами

Научный руководитель:

Богданов Михаил Константинович

Студент группы J4222: �Лях Глеб Сергеевич�

2 of 15

Рассмотренные алгоритмы mGPU

Alternate Frame Rendering

Split Frame Rendering

Hybrid Multi-GPU Rendering

  • Простота реализации
  • Универсальность
  • Масштабируемость c одинаковыми GPU
  • Масштабируемость с разными моделями GPU
  • Микрофризы
  • Высокие требования к видеопамяти
  • Высокая задержка ввода
  • Невозможность реализации алгоритмов с зависимостью между кадрами
  • Низкая задержка ввода
  • Возможность баланса нагрузки
  • Масштабируемость
  • Универсальность
  • Сложность синхронизации
  • Высокая нагрузка на каналы связи
  • Распределение примитивов может значительно удлинить процесс рендеринга
  • Трудности при рендеринге прозрачных объектов
  • Снижение нагрузки на dGPU
  • Уменьшение энергопотребления
  • Повышение производительности, особенно на низко производительных системах
  • Узкоспециализированность
  • Сложность синхронизации

2

3 of 15

Подход к разделению

Симуляция происходит параллельно с основным кадром и может происходить без зависимости от кадра на первичном графическом процессоре.

​

Частота обновления на дополнительном процессоре может отличаться от частоты на основном.

3

4 of 15

Условия для симуляции воды

Достоверность симуляции жидкости строится из:

  • Несжимаемости,
  • Плотности и давления,
  • Вязкости,
  • Поверхностного натяжения.

Уравнения Навье-Стокса описывают реалистичное поведение жидкости:

​

4

5 of 15

Эйлерова модель

Жидкость представлена многомерной сеткой с физическими параметрами: давлением, скоростью, плотностью и т.п.

​

Преимущества:

  • Высокая точность симуляции
  • Высокая стабильность системы
  • Качественная симуляция больших тел
  • Простота добавления взаимодействий с твердыми телами

​

Недостатки:

  • Высокая алгоритмическая сложность
  • Низкая производительность
  • Плохая поддержка симуляции мелких частиц, брызг

5

6 of 15

Лагранжевая модель

Жидкость представлена множеством частиц, взаимодействующих друг с другом имеющими те же физические свойства. Алгоритмы использующие данный подход – smooth particle hydrodynamics(SPH), fluid implicit particle-in-cell(FLIP).

​

Преимущества:

  • Простота интуитивного понимания
  • Высокая скорость и оптимизированность
  • Возможность параллелизации
  • Качественная симуляция маленьких тел: капель, брызг и т.п.

Недостатки:

  • Более низкая физическая точность
  • Сложность взаимодействия с твердыми объектами
  • Высокие требования для симуляции большого числа частиц
  • Трудности в симуляции больших тел

6

7 of 15

Уравнения SPH

 

7

 

 

Для конечного числа частиц

Уравнение плотности

8 of 15

Поиск ближайших соседей

Для поиска ближайших соседей пространство делится на клетки, таким образом, что необходимо рассчитывать параметры только для смежных 27 клеток, значительно снижая сложность вычислений.

​

Для этого предлагается использование сортировки CountingSort.

8

9 of 15

Определение количества частиц

9

10 of 15

Результаты

10

11 of 15

Результаты

11

12 of 15

Результаты

12

13 of 15

Выводы и дальнейшая работа

Удалось вынести алгоритм симуляции на дополнительный видеоадаптер, при сохранении качества симуляции.

​

На тестировочных стендах реализация дала прирост частоты кадров в 10-20%.

​

Дальнейшая работа включает добавление взаимодействия с внешними силами, рассмотрение алгоритмов отображения жидкостей.

​

13

14 of 15

Спасибо�за внимание!

Ваши контакты

15 of 15

Список источников

1. Zhang H. и др. Multi-GPU Parallel Pipeline Rendering with Splitting Frame. 2024. С. 223–235.

2. Multi-adapter systems and Direct3D 12; Shared resources across adapters [Электронный ресурс] // Microsoft Learn. URL: https://learn.microsoft.com/en-us/windows/win32/direct3d12/multi-engine (дата обращения: 01.09.2025).

3. Monaghan J. J. Smoothed particle hydrodynamics // Reports on Progress in Physics. 2005. Т. 68, № 8. С. 1703–1759.

5. Sigalotti L. D. G., Klapp J., Gesteira M. G. The Mathematics of Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Consistency // Front. Appl. Math. Stat. Frontiers Media S.A., 2021. Т. 7.

6. Cohen J. M., Tariq S., Green S. Interactive fluid-particle simulation using translating Eulerian grids // Proceedings of the 2010 ACM SIGGRAPH symposium on Interactive 3D Graphics and Games. New York, NY, USA: ACM, 2010. С. 15–22.

7. Brackbill J. U., Kothe D. B., Ruppel H. M. Flip: A low-dissipation, particle-in-cell method for fluid flow // Comput. Phys. Commun. 1988. Т. 48, № 1. С. 25–38.

8. Tolo L. O. Multi-GPU Rendering with Vulkan API. 2018.

9. Granja P., Pereira J. Hybrid-Rendering Techniques in GPU. 2023.

10. Liu M. B., Liu G. R. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): an Overview and Recent Developments // Archives of Computational Methods in Engineering. 2010. Т. 17, № 1. С. 25–76.

12. Bridson R. Fluid Simulation for Computer Graphics. 2016.