Оптимізація рендерингу великих сцен через адаптивне керування пам’яттю GPU

Abstract

Ця кваліфікаційна робота присвячена розробці та експериментальному дослідженню системи адаптивного керування відеопамʼяттю (VRAM) графічного процесора для оптимізації рендерингу великих тривимірних сцен. У дослідженні висвітлено теоретичні основи проблеми рендерингу складних сцен в умовах обмеженого обсягу відеопамʼяті, основні підходи до завантаження та вивантаження графічних ресурсів, принципи адаптивного керування резидентністю ресурсів, а також проведено порівняльний аналіз сучасних технологічних стеків (Unity з C#, Unreal Engine, C++ з Vulkan та DirectX 12) щодо їхньої придатності для реалізації подібних систем. У практичній частині описано проєктування модульної архітектури адаптивного менеджера памʼяті GPU, сформульовано вимоги до системи (асинхронне завантаження ресурсів, їх пріоритезація за видимістю, відстанню до камери та площею на екрані, масштабованість) і розкрито логіку роботи менеджера резидентності. Систему реалізовано в середовищі Unity 6.3 LTS з рендер-пайплайном High Definition RP (HDRP 17.3.0) мовою C# у вигляді набору взаємодійних компонентів: менеджера резидентності з LRU-вивантаженням та евікцією за пріоритетом, детектора видимості на основі фрустуму камери, асинхронного завантажувача ресурсів і підсистеми покадрового збору метрик. Для обʼєктивного оцінювання проведено прямий порівняльний експеримент двох режимів — адаптивного (ADAPTIVE) та контрольного зі статичним завантаженням усіх ресурсів (BASELINE) — на синтетичній сцені з 500 обʼєктів із фіксованим зерном генерації та однаковою траєкторією руху камери, що забезпечило відтворюваність результатів. Результати експерименту підтверджують ефективність запропонованого підходу: середнє фактичне споживання відеопамʼяті знижено з 4327 МБ у режимі BASELINE до 1575 МБ у режимі ADAPTIVE, що відповідає економії 63,6% (2752 МБ), а середня кількість одночасно резидентних ресурсів зменшилася з 500 до 120 (близько 24% сцени). Така економія досягається ціною помірного зростання варіативності часу кадру: середній час рендерингу збільшився лише на 0,4 мс (з 3,37 до 3,77 мс), а 95-й перцентиль — з 4,29 до 8,19 мс, проте навіть у найгірших випадках час кадру не перевищував бюджету 16,67 мс, що відповідає 60 FPS, тоді як середня частота кадрів знизилася лише на 3% (з 305 до 296 FPS). Оригінальність тексту роботи склала [N]% за системою [назва системи перевірки]. Систематизований досвід розробки та отримані кількісні дані можуть бути використані як практичний орієнтир для інженерів, що проєктують системи стрімінгу графічних ресурсів, а також як навчальний матеріал у курсах компʼютерної графіки та оптимізації рендерингу.

This qualification work is devoted to the development and experimental study of an adaptive video memory (VRAM) management system for the graphics processor, aimed at optimizing the rendering of large three-dimensional scenes. The study addresses the theoretical foundations of rendering complex scenes under limited video memory, the main approaches to loading and unloading graphics resources, the principles of adaptive resource residency management, as well as a comparative analysis of modern technology stacks (Unity with C#, Unreal Engine, C++ with Vulkan and DirectX 12) regarding their suitability for implementing such systems. The practical part describes the design of a modular architecture for the adaptive GPU memory manager, formulates the system requirements (asynchronous resource loading, prioritization by visibility, distance to the camera and on-screen area, scalability), and reveals the logic of the residency manager. The system is implemented in Unity 6.3 LTS with the High Definition Render Pipeline (HDRP 17.3.0) in C# as a set of interacting components: a residency manager with LRU eviction and priority-based eviction, a camera-frustum visibility detector, an asynchronous resource loader, and a per-frame metrics logging subsystem. For objective evaluation, a direct comparative experiment was conducted between two modes — adaptive (ADAPTIVE) and a control mode with static loading of all resources (BASELINE) — on a synthetic scene of 500 objects with a fixed generation seed and an identical camera trajectory, which ensured the reproducibility of the results. The experimental results confirm the effectiveness of the proposed approach: the average actual video memory consumption was reduced from 4327 MB in BASELINE mode to 1575 MB in ADAPTIVE mode, which corresponds to a saving of 63.6% (2752 MB), while the average number of simultaneously resident resources decreased from 500 to 120 (about 24% of the scene). This saving is achieved at the cost of a moderate increase in frame-time variability: the average rendering time increased by only 0.4 ms (from 3.37 to 3.77 ms), and the 95th percentile from 4.29 to 8.19 ms; however, even in the worst cases the frame time did not exceed the 16.67 ms budget corresponding to 60 FPS, while the average frame rate decreased by only 3% (from 305 to 296 FPS). The text originality was assessed at [N]% via the [name of the checking system] system. The systematized development experience and the obtained quantitative data can serve as a practical reference for engineers designing resource-streaming systems, as well as educational material in computer graphics and rendering optimization courses.