Genesis分析

Genesis分析

Felix Christian Lv3
  2025-01-11 18:57:05 2025-01-11 18:57:05 创建   2025-02-06 20:13:37 2025-02-06 20:13:37 更新    3.9k 字  14 分钟  

Taichi

@ti.func & @ti.kernel

When writing compute-intensive tasks, users can leverage Taichi's high performance computation by following a set of extra rules, and making use of the two decorators @ti.func and @ti.kernel. These decorators instruct Taichi to take over the computation tasks and compile the decorated functions to machine code using its just-in-time (JIT) compiler. As a result, calls to these functions are executed on multi-core CPUs or GPUs and can achieve acceleration by 50x~100x compared to native Python code.

在编写计算密集型任务时，用户可以通过遵循一组额外规则并使用两个装饰器 @ti.func 和 @ti.kernel 来利用 Taichi 的高性能计算。这些装饰器指示 Taichi 接管计算任务，并使用其即时 (JIT) 编译器将装饰函数编译为机器代码。因此，对这些函数的调用在多核 CPU 或 GPU 上执行，与原生 Python 代码相比，可以实现 50 倍~100 倍的加速。

@ti.kernel: 用 @ti.kernel 修饰的函数称为 Taichi 内核或简称为内核。这些函数是Taichi运行时接管任务的入口点，它们必须由Python代码直接调用。您可以使用原生 Python 来准备任务，例如从磁盘读取数据和预处理，然后调用内核将计算密集型任务卸载到 Taichi。

@ti.func: 用 @ti.func 修饰的函数称为 Taichi 函数。这些函数是内核的构建块，只能由另一个 Taichi 函数或内核调用。与普通的 Python 函数一样，您可以将任务划分为多个 Taichi 函数，以增强可读性并在不同的内核中重用它们。

Notes:

  • Taichi 要求内核的参数和返回值进行类型提示，除非它既没有参数也没有返回语句。
  • 内核或 Taichi 函数内的代码是 Taichi 范围的一部分。 Taichi 的运行时在多核 CPU 或 GPU 设备上并行编译和执行该代码，以实现高性能计算。 Taichi 作用域相当于 CUDA 的设备端。
  • Taichi 范围之外的代码属于 Python 范围。这段代码是用原生Python编写的，并由Python的虚拟机执行，而不是由Taichi的运行时执行。 Python 作用域相当于 CUDA 的主机端。

Kernel Notes

  • 一个内核可以接受多个参数。但是，请务必注意，您不能将任意 Python 对象传递给内核。这是因为 Python 对象可以是动态的，并且可能包含 Taichi 编译器无法识别的数据。
  • 标量、 ti.types.matrix() 、 ti.types.vector() 和 ti.types.struct() 按值传递，这意味着内核收到参数的副本。但是， ti.types.ndarray() 和 ti.template() 是通过引用传递的，这意味着对内核内部参数所做的任何更改也会影响原始值。
  • 您可以使用 ti.types.ndarray() 作为类型提示，将 ndarray 从 NumPy 或 tensor 从 PyTorch 传递到内核。 Taichi 可以识别这些数据结构的形状和数据类型，这使您可以在内核中访问它们的属性。
  • 最多允许有一个返回值，该返回值可以是标量、 ti.types.matrix() 或 ti.types.vector() 。此外，在基于 LLVM 的后端（CPU 和 CUDA 后端）中，返回值也可以是 ti.types.struct() 。
  • 全局变量视为编译时常量。这意味着它在编译时获取全局变量的当前值，并且之后不会跟踪它们的更改。

Func Notes:

  • 所有的 Taichi 函数都被强制内联 -> 不允许运行时递归。
  • Taichi 函数可以接受多个参数，其中可能包括标量、 ti.types.matrix() 、 ti.types.vector() 、 ti.types.struct() 、 ti.types.ndarray() 、 ti.field() 类型。
  • 可以有多个返回值。

Comparison

kernelfunc
调用范围Python 作用域Taichi 作用域
参数的类型提示必需推荐
返回值的类型提示必需推荐
返回类型标量
ti.types.matrix()
ti.types.vector()
ti.types.struct()(Only on LLVM-based backends)		标量
ti.types.matrix()
ti.types.vector()
ti.types.struct()
...
参数中元素数量上限32（适用于 OpenGL）64（适用于其他后端）无限制
return 语句中返回值数量上限1无限

@ti.dataclass

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@ti.dataclassclass 
	Sphere:
    	center: vec3    
    	radius: float

Field

Taichi field 是全局数据容器，从 Python 作用域或 Taichi 作用域均能访问。

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f_2d = ti.field(int, shape=(3, 6))  # A 2D field in the shape (3, 6)

  • Scalar field: 存储的是标量，是最基本的 field。

    • 一个0D 的标量 field 是单个标量。

    • 一个一维标量 field 是由标量组成的一个一维数组。

    • 一个二维标量 field 是由标量组成的一个二维数组，以此类推。

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# Declares a 3x3 vector field comprising 2D vectors
f = ti.Vector.field(n=2, dtype=float, shape=(3, 3))
  • Vector field: 每个元素都是N维向量的向量场。
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# Declares a 300x400x500 matrix field, each of its elements being a 3x2 matrix
tensor_field = ti.Matrix.field(n=3, m=2, dtype=ti.f32, shape=(300, 400, 500))

  • Matrix field: 每个元素都是矩阵。

    • 矩阵运算在编译时展开。

    • 在较大的矩阵（例如32x128 ）上运行可能会导致编译时间更长且性能较差。

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# Declares a 1D struct field using the ti.Struct.field() method
n = 10
particle_field = ti.Struct.field({    
    "pos": ti.math.vec3,    
    "vel": ti.math.vec3,    
    "acc": ti.math.vec3,    
    "mass": float,  
}, shape=(n,))
  • Struct field: 存储用户自定义的结构体。

Taichi 编译器能够自动推断底层的数据布局并应用合适的数据读取顺序。 这是 Taichi 编程语言相较其他大多数通用编程语言的一大优势。

Ndarray

  • ndarray 总是分配一个连续的内存块，以允许与外部库进行直接的数据交换。
  • 与 field 一样，ndarray 只能在 Python 作用域中构造，而不能在 Taichi 作用域中构造。也就是说，不能在 Taichi 内核或函数内部构造 ndarray。
  • 当标量类型的 NumPy ndarray 或 PyTorch 张量作为参数传递给 Taichi 内核时，它可以被解释为标量类型数组、向量类型数组或矩阵类型数组。这是由类型提示ti.types.ndarray()中的dtype和ndim选项控制的。

Genesis

Rigid Solver

Init

作用：初始化求解器对象，设置其初始状态和配置信息。

功能：

  1. 调用基类 Solver 的初始化。
  2. 根据 options 配置求解器行为：
    • 是否启用碰撞检测、关节限制、自碰撞。
    • 最大碰撞对数量。
    • 动力学积分器类型。
    • 是否启用休眠优化（hibernation）。
  3. 初始化内部变量，如当前步数 _cur_step，以及存储实体的列表 _entities。

Add Entity

作用：添加一个物理实体（如刚体、机器人、无人机等）到求解器中。

参数：

  • idx：实体的全局索引，用于唯一标识。
  • material：该实体的材质类型（例如刚体或角色）。
  • morph：实体的形态类型（例如无人机形态）。
  • surface：几何表面信息（用于碰撞检测或渲染）。
  • visualize_contact：是否需要可视化接触点。

功能：

  1. 根据 material 和 morph 类型选择实体的类别：
    • AvatarEntity：角色实体。
    • DroneEntity：无人机实体。
    • RigidEntity：普通刚体。
  2. 检查是否支持显示接触点（AvatarEntity不支持）。
  3. 初始化实体对象，并将其添加到 _entities 列表中。

返回值：新创建的实体对象。

Build

作用：构建求解器的内部状态和数据结构，为模拟做好准备。

功能：

  1. 初始化全局变量（如环境数量 n_envs 和并行级别 _para_level）。
  2. 调用每个实体的 build 方法，设置其相关参数。
  3. 初始化关键的数据结构：
    • 自由度数量、关节数量、几何体数量等统计数据。
    • 动力学矩阵（质量矩阵等）和字段（如自由度状态、几何体状态）。
  4. 运行初始的正向运动学（Forward Kinematics）更新几何体状态。
  5. 初始化碰撞检测器、约束求解器等模块。

Comparison with Genesis and Mujoco

0. Pipeline

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1. Mass Matrix

GenesisMujoco
CRBimage-20250111173536192image-20250111173559608
Mass Matriximage-20250111185559312image-20250111185507153

在CRB的计算中，genesis和mujoco使用了一样的策略。从末端开始遍历，自下而上地累计惯性。

有这个惯性矩阵之后，再计算每个自由度的惯性贡献，更新自由度状态 f_ang（角力矩）和 f_vel（线力矩）。然后填充这个质量矩阵。

实现细节上，genesis会有一个休眠的判断，避免了不必要的计算。此外，genesis如下定义力矩计算的函数：

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使用@ti.func修饰，将运算从Python虚拟机移到Taichi进行加速。而mujoco中此函数的处理是按照单个元素进行处理的：

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这种非连续的取值以及单元素的运算可能也是导致效率降低的原因。

2. Inversed Mass Matrix

为解释矩阵逆的计算，先简要引入两个矩阵分解方式的介绍：

\(LU\)分解\(LDL^T\)分解
image-20250109231735947image-20250109231845312

genesis:

  • 对质量矩阵 mass_mat 进行 LU 分解。
  • 使用前向和后向替代，逐列计算逆矩阵 mass_mat_inv。

在genesis中，为了简化质量矩阵的逆矩阵的计算，使用了\(LU\)分解。而在mujoco中，使用的是 \(LDL^T\)​分解。这两者我感觉本身计算量的差别不会太大。然而在genesis的计算中，对于自由度的遍历依然可以实现并行化：

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此外，在分解的过程中。mujoco中自己定义了函数，是通过简单的遍历实现的。

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在genesis中，虽然也是遍历，但是它的参数都是通过taichi重构的，可能相较于原生的C语言会有一定的加速。

3. Force Calculation

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该函数的目的是计算每个自由度上的总力，包括控制力、阻尼力和弹性力。

在力的计算中，genesis中有三种控制模式，根据代码，分别是FORCE、VELOCITY、POSITION。

控制模式：

  1. FORCE 模式：

    • 直接将控制力 ctrl_force 应用于自由度。

  2. VELOCITY 模式：

    • 根据当前速度 vel 和目标速度 ctrl_vel 计算阻尼力：

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      force = kv * (ctrl_vel - vel)

    • kv 是速度控制的增益系数。

  3. POSITION 模式：

    • 根据当前位置 pos 和目标位置 ctrl_pos 计算弹性力和阻尼力：

      1
      force = kp * (ctrl_pos - pos) - kv * vel

    • kp 是位置控制的增益系数。

如果计算出的力大于阈值EPS，则唤醒实体。

此外，force还需要根据如下方式减去弹性力和阻尼力：

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force -= qpos * stiffness
force -= damping * vel

mujoco中也是三种控制，position、velocity和acceleration，大体上是一致的：

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4. Update Acceleration and Force

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遍历每个Entity的每个Link，是根节点的话，设置线加速度为重力加速度，角加速度为0。不是根节点则继承父节点的加速度。

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流程：

  • 遍历链接的所有自由度（从 dof_start 到 dof_end）。
  • 对每个自由度：
    • 根据自由度的速度 vel，计算其对线加速度的贡献 cdofd_vel * vel。
    • 计算其对角加速度的贡献 cdofd_ang * vel。

力和力矩的计算与加速度计算类似。且其中调用的都是@ti.func修饰的矩阵运算函数。

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从每个实体的末端链接开始，向父链接累积力。

6. Bias Force

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基于链接的累积力和每个自由度的运动相关量，计算偏置力。

分量解释：

  • cdof_ang 和 cdof_vel 是每个自由度的运动分量（角速度分量和线速度分量）。
  • cfrc_flat_ang 和 cfrc_flat_vel 是链接的累积角力和线力。
  • 偏置力的计算：通过上述点积操作，将累积的力和自由度的运动相关联，得出自由度上的偏置力。

7. Compute DOF Acceleration

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对每个DOF，他要遍历添加所有其他DOF给它施加的约束力。

  • 将约束力 qf_constraint 添加到当前自由度的总力上。
  • 再使用质量矩阵的逆\(M^{-1}\)和总力force计算加速度acc。

8. Integrate

基于当前自由度的加速度和速度，计算并更新自由度的状态（包括位置和速度）。

基于加速度更新速度\(v\leftarrow v+a\cdot\Delta t\)：

image-20250112234806714

更新位置：

  1. 旋转状态和旋转增量：

    image-20250113010301128

    rot 代表刚体在全局坐标系中的当前旋转状态。

    ang 则是时间步内的旋转变化，由角速度直接导出。

  2. 旋转合并：

    image-20250113011440843

    将旋转向量\(\mathbf{ang}\)转换为四元数。

    再通过四元数乘法更新当前的旋转状态rot。

  3. 以上是FREE JOINT的更新方式，非FREE的直接根据vel更新即可：

    image-20250113013114786

9. Contraint Force

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以下详细对比下genesis和mujoco在碰撞检测中的实现：

  1. Broad Phase:

    在genesis和mujoco中，都使用了AABB对碰撞检测对进行一个快速的排除。但是它的具体的实现细节又有所不同。

    在genesis中，使用的是Sweep and Prune (SAP)方式，它将所有物体AABB盒的Min点与Max点分别在XYZ轴上投影，如果在某一轴上不满足Max1 > Min2 && Max2 > Min1则不会发生碰撞。

    在mujoco中，使用的是Bounding Volume Hierarchical Tree(BVH)算法。它是通过二叉树来管理所有的AABB盒。在计算碰撞时，遍历二叉树以获取所有可能的碰撞对。

  2. Narrow Phase:

    窄相检测的目的是根据宽相检测检测出的碰撞对再进行细致的计算，获取碰撞接触点、法向量、穿透深度等信息。

    窄相检测中，genesis使用的是SDF方法。根据物体的类别，SPHERE、TERRAIN、CONVEX或者其他，调用不同的函数。在SDF底层实现中，genesis使用的依然是遍历查询每个顶点，判断是否侵入另一个物体。

    在mujoco中，定义了一个碰撞函数检测表： image-20250113191309572

    不同于genesis全部计算SDF，mujoco中对于凸包与凸包间的碰撞，使用了GJK算法来判断凸包是否相交，如果检测到相交，再用EPA算法计算穿透深度和接触点。

  3. Add Constraint:

    在获取到碰撞信息后，genesis会通过add_collision_constraints函数将约束施加回去。mujoco中通过函数mj_makeConstraint添加约束。

Performance Analysis

1. Taichi

(1). data structure

image-20250111171708819

在genesis的初始化中，很多变量就以taichi的数据格式进行初始化了，便于后续高效处理。

(2). Parallelize

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genesis使用了taichi的loop_config函数进行并行化的控制。其中serialize控制是否并行，如果将serialize设置为 True ，则for循环将串行运行。关于_para_level的定义在此：

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在使用CPU时不进行并行。GPU时根据场景是否分批次进行部分或全部的并行。

2. hibernation

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功能启用:

  • hibernation 的启用由 self._use_hibernation 参数控制。
  • 当启用时，程序会在初始化中设定相关状态变量，例如 self.dofs_state.hibernated 和 self.links_state.hibernated 标记rigid_solverrigid_solver。

状态检测:

  • 判断刚体是否进入 hibernation 的依据是速度和加速度的阈值（self._hibernation_thresh_vel 和 self._hibernation_thresh_acc）。如果某个刚体的运动状态低于这些阈值，则会被标记为“休眠”状态rigid_solverrigid_solver。

休眠机制的作用:

  • 对于被标记为 hibernated 的刚体，程序会从后续的物理计算中剔除它们。这包括质量矩阵计算、动态求解以及碰撞检测等部分rigid_solver。
  • 只有当这些刚体再次被外力或约束影响而超出阈值时，它们才会被重新唤醒并重新加入计算rigid_solver。

核心实现:

  • self._func_hibernate() 函数处理刚体是否应该进入 hibernation 的逻辑rigid_solver。
  • self._func_aggregate_awake_entities() 则用于更新非休眠状态的实体列表，以确保只对活跃的刚体执行仿真rigid_solver。

性能优化:

  • 通过减少对静态或低动态实体的重复计算，hibernation 可以显著降低复杂场景中的计算开销。
  • 适用于场景中存在大量静止或近似静止的物体的情况。
  • 标题: Genesis分析
  • 作者: Felix Christian
  • 创建于 : 2025-01-11 18:57:05
  • 更新于 : 2025-02-06 20:13:37
  • 链接: https://felixchristian.top/2025/01/11/15-GenesisAnalysis/
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Genesis分析
  1. Taichi
    1. @ti.func & @ti.kernel
    2. @ti.dataclass
    3. Field
    4. Ndarray
  2. Genesis
    1. Rigid Solver
  3. Comparison with Genesis and Mujoco
    1. 0. Pipeline
    2. 1. Mass Matrix
    3. 2. Inversed Mass Matrix
    4. 3. Force Calculation
    5. 4. Update Acceleration and Force
    6. 5. Inverse Link Force
    7. 6. Bias Force
    8. 7. Compute DOF Acceleration
    9. 8. Integrate
    10. 9. Contraint Force
  4. Performance Analysis
    1. 1. Taichi
    2. 2. hibernation