The goal of master’s thesis was to demonstrate and benchmark peformance of Mantle and Vulkan APIs with different optimization methods. This thesis proposes a rendering toolkit with optimization methods based on parallel command buffer generating, persistent staging buffers mapping, minimal pipeline configuration and descriptor sets changing, device memory pre-allocating with managing and sharing between multiple resources. The result is reference implementation that could render dynamic scene with thousands of objects in real time.

Background. Performance optimization is of great importance for games as it constrains the possibilities of content or complexity of systems. Modern games support high resolution rendering but higher resolutions require more pixels to be computed and solutions are needed to reduce this workload. Currently used methods include uniformly lowering the shading rates across the whole screen to reduce the amount of pixels needing computation. Variable Rate Shading is a new hardware supported technique with several functionality tiers. Tier 1 is similar to previous methods in that it lowers the shading rate for the whole screen. Tier 2 supports screen space image shading. With tier 2 screen space image shading, various different shading rates can be set across the screen which gives developers the choice of where and when to set specific shading rates. Objectives. The aim of this thesis is to examine how close Variable Rate Shading tier 2 screen space shading can come to the performance gains of Variable Rate Shading tier 1 while trying to maintain an acceptable image quality with the help of commonly used post processing effects. Methods. A lightweight scene is set up and Variable Rate Shading tier 2 methods are set to an acceptable image quality as baseline. Evaluation of performance is done by measuring the times of specific passes required by and affected by Variable Rate Shading. Image quality is measured by capturing sequences of images with no Variable Rate Shading on as reference, then with Variable Rate Shading tier 1 and several methods with tier 2 to be compared with Structural Similarity Index. Results. Highest measured performance gains from tier 2 was 28.0%. The result came from using edge detection to create the shading rate image in 3840x2160 resolution. This translates to 36.7% of the performance gains of tier 1 but with better image quality with SSIM values of 0.960 against tier 1’s 0.802, which corresponds to good and poor image quality respectively. Conclusions. Variable Rate Shading tier 2 shows great potential in increasing performance while maintaining image quality, especially with edge detection. Postprocessing effects are effective at maintaining a good image quality. Performance gains also scale well as they increase with higher resolutions. / Bakgrund. Prestandaoptimering är väldigt viktigt för spel eftersom det kan begränsa möjligheterna av innehåll eller komplexitet av system. Moderna spel stödjer rendering för höga upplösningar men höga upplösningar kräver beräkningar för mera pixlar och lösningar behövs för att minska arbetsbördan. Metoder som för närvarande används omfattar bland annat enhetlig sänkning av skuggningsförhållande över hela skärmen för att minska antalet pixlar som behöver beräkningar. Variable Rate Shading är en ny hårdvarustödd teknik med flera funktionalitetsnivåer. Nivå 1 är likt tidigare metoder eftersom skuggningsförhållandet enhetligt sänks över hela skärmen. Nivå 2 stödjer skärmrymdsbildskuggning. Med skärmrymdsbildskuggning kan skuggningsförhållanden varieras utspritt över skärmen vilket ger utvecklare valmöjligheter att bestämma var och när specifika skuggningsförhållanden ska sättas. Syfte. Syftet med examensarbetet är att undersöka hur nära Variable Rate Shading nivå 2 skärmrymdsbildskuggning kan komma prestandavinsterna av Variable Rate Shading nivå 1 samtidigt som bildkvaliteten behålls acceptabel med hjälp av vanligt använda efterbearbetningseffekter. Metod. En simpel scen skapades och metoder för Variable Rate Shading nivå 2 sattes till en acceptabel bildkvalitet som utgångspunkt. Utvärdering av prestanda gjordes genom att mäta tiderna för specifika pass som behövdes för och påverkades av Variable Rate Shading. Bildkvalitet mättes genom att spara bildsekvenser utan Variable Rate Shading på som referensbilder, sedan med Variable Rate Shading nivå 1 och flera metoder med nivå 2 för att jämföras med Structural Similarity Index. Resultat. Högsta uppmätta prestandavinsten från nivå 2 var 28.0%. Resultatet kom ifrån kantdetektering för skapandet av skuggningsförhållandebilden, med upplösningen 3840x2160. Det motsvarar 36.7% av prestandavinsten för nivå 1 men med mycket bättre bildkvalitet med SSIM-värde på 0.960 gentemot 0.802 för nivå 1, vilka motsvarar bra och dålig bildkvalitet. Slutsatser. Variable Rate Shading nivå 2 visar stor potential i prestandavinster med bibehållen bildkvalitet, speciellt med kantdetektering. Efterbearbetningseffekter är effektiva på att upprätthålla en bra bildkvalitet. Prestandavinster skalar även bra då de ökar vid högre upplösningar.

This thesis deals with representation of large and complex 3D scenes which are usually used by modern computer games. Main aim is design and implementation of data driven rendering system. Proper rendering is directed (driven) by scene description. This description is also designed with respect to scene creators whose typically do not have deep knowledge of programming languages in contrast to game programming developers. First part is focused on design of efficient scene description and its possible applications at scene rendering. Second part is focused on proper system implementation. Finally, consequently important system optimizations are mentioned too.