【渲染效果】Arnold CPU和GPU渲染效果对比，Arnold GPU原理详解

Renderbus渲染平台支持Arnold GPU
Arnold 作为目前电影和动画制作领域最为流行的渲染器之一，随着最近Arnold-5.3.0.0的发布，第一版的Arnold GPU(beta)已经正式放出。我们可以和大家分享一下关于Arnold GPU的前期测试的一些结果和思考。
Arnold GPU的原理
两年多以前，Marcos Fajardo(Arnold渲染器的作者)第一次在SIGGRAPH2015上谈论了Arnold GPU的可能性。当时设计的是基于OpenCL计算框架的全平台支持的GPU渲染器。但是，现在的Arnold GPU却是基于NVIDIA Optix的渲染架构，底层是CUDA语言，CUDA比OpenCL友好很多，开发进度肯定也更快，最关键的是，CUDA速度更快，更稳定。随着RTX系列显卡的开售，向量求交运算越来越快，更加适合GPU的光线追踪算法。
Arnold CPU和GPU效果
Arnold GPU渲染诞生之初的宗旨就是保持CPU和GPU渲染结果接近一致，这是beta版的不同渲染模式下的效果和速度。
测试环境:
Katana3.0 + KtoA 2.3.0.0 gpu19 + GeForce GTX 1080
Using 8 render threads

参数设置：
AA samples = 6
GI diffsue samples = 3
GI specular samples = 3
GI transmisson samples = 3
GI diffsue depth = 2
GI specular depth = 3
GI transmisson depth = 8
灯光采样为默认值
金属材质 (Metal)metal(左边为CPU, 右边为GPU)
渲染时间：
CPU - 2m13s
GPU - 10s
总结来说，金属这种BRDF的材质已经不需要太多运算性能，在GPU上也可以很好的计算，所以CPU和GPU的噪点都比较少，GPU渲染要快很多。当场景中有很多硬表面材质的时候，GPU会在不损失渲染质量的基础上，显示出更强大的速度和性能。
玻璃材质 (Glass)glass(左边为CPU, 右边为GPU)
渲染时间：
CPU - 31m57s
GPU - 17s
玻璃这种BTDF的材质，光线追踪的渲染器实在太慢太低效了。虽然Arnold GPU渲染速度特别快，但是明显能看出来渲染细节丢失严重，噪点密密麻麻。还是使用CPU慢慢渲染比较靠谱。
次表面散射材质 (SSS)sss(左边为CPU, 右边为GPU)
渲染时间：
CPU - 6m39s
GPU - 36s
次表面材质，SSS，也就是BSSRDF，是这么多测试中，Arnold GPU带来了最大的惊喜。Arnold GPU实现了 standard_surface中的random_walk BSSRDF。
先简单介绍下，Arnold 5自带两种类型的SSS：
diffusion
random_walk
diffusion是一种基于经验的SSS模型，它的渲染结果更快，因为很多参数都是通过查表得到，这种经验模型也是现在普遍使用的方式。而randrom_walk是完全的光线反射计算，基于真实的物理模型。
回到Arnold GPU，它不支持diffusion而是直接使用random_walk，得出的结果非常完美， 渲染噪点少，渲染效果和CPU非常相似。实际生产中，这个是完全可以胜任电影级的CG制作要求。
科耐尔盒子 (Cornell Box)cornell_box(左边为CPU, 右边为GPU)
渲染时间：
CPU - 23m37s
GPU - 1m27s
结果很完美，虽然渲染时间很慢，但是效果惊人。和Redshift做对比的话，速度上惨败，效果上完胜。Redshift最大的问题在于间接光照往往太亮，暗部细节不够。Arnold GPU的效果和CPU基本完全一致，就这一点上，它是目前已知渲染器中(prman还不知道)做的最好的。
这里请注意一下，GPU的渲染时间明显比CPU快很多的很重要的原因，是因为它们的采样相同，而采样相同的基础上，GPU渲染结果的噪点要明显比CPU渲染结果的噪点要多。
Arnold Beta版的限制
因为目前Arnold还处于早期的beta测试版本，所以很多特性是没有的，想要将Arnold GPU用于生产制作应该还是早了一些。以下是一些比较大的缺点。
通用的限制
GPU渲染，在相同采样的基础上，要比CPU噪点更多
GPU渲染会将所有贴图读入内存和显存，暂不支持streaming texture
GPU渲染不支持bucket rendering，所有支持的AOVs都留在内存中
GPU渲染不支持OpenVDB
Shaders的限制
暂不支持 OSL Shaders
暂不支持第三方Shaders
不支持AOVs写出，不支持 write_aov
Lights的限制
暂不支持 cylinder_light
暂不支持 disk_light
暂不支持 mesh_light
暂不支持 light_links
暂不支持 light_filters
Arnold GPU的未来
Arnold希望将GPU渲染用于电影级的项目，但是因为GPU自身的缺点，很多渲染必须要使用CPU来计算，效率更高。所以，自由的在CPU和GPU之间切换渲染是非常重要。基于这一点，Arnold既能提供高质量的CPU单向光线追踪渲染，又能提供高效的GPU Optix光线追踪渲染。
一套API支持CPU和GPU
Arnold设计之初就提出，使用一套API,兼容CPU和GPU渲染。现在Arnold GPU已经开始兼容一些MtoA里提供的Maya原生材质，至少这点Arnold已经取得一些进展了。
支持OSL Shaders
最新的消息，来自开发者论坛，NVIDIA正在和Sony一起，正在开发OSL基于GPU下的兼容性，包括OSL几个很重要的特性：Closure和LPEs。不久会加入Arnold GPU。
渲染效果一致性
现在看来，在效果还原上，Arnold还是做的很好的，GPU渲染尽力向CPU渲染的效果靠拢，因为两个渲染架构不同,不再延伸。

来自： MIYAZAKI

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