Anizotropno filtriranje: što je potrebno, što utječe, praktična uporaba

Tehnologije za prikaz 3D objekata na zaslonu monitora osobnih računala razvijaju se izdavanjem modernih grafičkih adaptera. Dobivanje savršene slike u trodimenzionalnim aplikacijama, što bliže stvarnom videu, glavni je zadatak programera hardvera i glavni cilj za poznavatelje računalnih igara. Tehnologija implementirana u najnoviju generaciju grafičkih kartica - anizotropno filtriranje u igrama - namijenjena je da pomogne u tome.

Što je to?

Svaki igrač računala želi da se na ekranu pojavi šarena slika virtualnog svijeta, tako da se, penjući se na vrh planine, može promatrati slikovito okruženje, tako da se pritiskom na gumb za ubrzanje na tipkovnici do samog horizonta može vidjeti trkaća staza, i cjelovito okruženje u obliku urbanih krajolika. Objekti prikazani na zaslonu monitora, samo idealno stoje izravno ispred korisnika na najpogodnijoj skali, u stvari, velika većina trodimenzionalnih objekata su pod kutom u odnosu na liniju vida. Štoviše, različita virtualna udaljenost tekstura od točke gledišta također prilagođava veličinu objekta i njegove teksture. Izračuni prikazuju trodimenzionalni svijet na dvodimenzionalnom zaslonu i bave se raznim 3D tehnologijama dizajniranim za poboljšanje vizualne percepcije, među kojima je i filtriranje teksture (anizotropno ili trilinearno). Filtriranje takvog plana je među najboljima u ovom području.

Na prstima

Da biste razumjeli što daje anizotropno filtriranje, morate razumjeti osnovne principe algoritama teksturiranja. Svi objekti trodimenzionalnog svijeta sastoje se od "okvira" (trodimenzionalni model volumena objekta) i površine (teksture) - dvodimenzionalna slika "rastegnuta" preko okvira. Najmanji dio teksture je u boji teksela, to su kao pikseli na zaslonu, ovisno o "gustoći" teksture, tekseli mogu biti različitih veličina. Iz višebojnih tekstila nalazi se cjelovita slika bilo kojeg objekta u trodimenzionalnom svijetu.

Na zaslonu se tekstualni znakovi razlikuju od piksela, čiji je broj ograničen dostupnom razlučivošću. Dok u virtualnoj zoni vidljivosti može biti gotovo beskonačan broj tekstova, pikseli koji prikazuju sliku korisniku imaju fiksni broj. Dakle, transformacija vidljivih teksela u piksele u boji obrađuje se algoritmom za obradu trodimenzionalnih modela - filtriranje (anizotropno, bilinearno ili trilinearno). Više o svim vrstama - niže u redu, jer one zrače jedna od druge.

Srednja boja

Najjednostavniji algoritam filtriranja prikazuje boju točkastog uzorkovanja najbliže točci gledišta svakog piksela. Sve je jednostavno: vidna linija određene točke na zaslonu pada na površinu trodimenzionalnog objekta, a tekstura slike vraća boju teksela najbliže točki pada, filtrirajući sve ostale. Idealan za jednobojne površine u boji. Uz male razlike u boji, ona također daje prilično kvalitetnu sliku, ali prilično dosadnu, jer gdje ste vidjeli trodimenzionalne objekte iste boje? Samo shaderi rasvjete, sjene, refleksije i drugi spremni su naslikati bilo koji predmet u igrama kao novogodišnje stablo, što reći o samim teksturama, koje ponekad predstavljaju djela likovne umjetnosti. Čak i sivi, bezdušni betonski zid u modernim igrama nije samo pravokutnik neobične boje, već je obrubljen grubim rubovima, ponekad pukotinama i ogrebotinama i drugim umjetničkim elementima, što virtualni zid dovodi do stvarnih ili imaginarnih zidova graditelja što je bliže moguće. Općenito, bliska boja se može koristiti u prvim trodimenzionalnim igrama, ali sada su igrači postali mnogo zahtjevniji na grafikama. Ono što je važno: filtriranje blizu boje ne zahtijeva gotovo nikakvo izračunavanje, to jest, vrlo je ekonomično u smislu računalnih resursa.

Linearno filtriranje

Razlike u linearnom algoritmu nisu vrlo značajne, umjesto najbliže tekselske točke, linearno filtriranje koristi 4 odjednom i izračunava prosječnu boju između njih. Jedini problem je što na površinama pod kutom prema ekranu, linija vidljivosti oblikuje elipsu na teksturi, dok linearno filtriranje koristi idealnu kružnicu za odabir najbližih teksela, bez obzira na kut gledanja. Korištenje četiri texela umjesto jednog omogućuje značajno poboljšanje crtanja tekstura udaljenih sa stajališta, ali još uvijek nedovoljno za ispravno odražavanje slike.

MIP-mapiranje

Ova tehnologija omogućuje lagano optimiziranje crtanja računalne grafike. Za svaku teksturu određeni broj kopija se stvara s različitim stupnjevima detalja, za svaku razinu detalja odabire se slika, na primjer, za dugi hodnik ili prostranu dvoranu, blizu podova i zidova zahtijevaju najveće moguće detalje, dok udaljeni kutovi pokrivaju samo nekoliko piksela i ne zahtijevaju samo nekoliko piksela. značajne pojedinosti. Ova trodimenzionalna grafička funkcija pomaže izbjeći zamućenje udaljenih tekstura, kao i izobličenje i gubitak slike, i radi zajedno s filtriranjem, jer video adapter ne može samostalno odlučiti koji su tekseli važni za dovršenje slike i koji nisu jako dobri za izračunavanje filtriranja.

Bilinearno filtriranje

Koristeći zajedno linearno filtriranje i MIP teksturiranje, dobivamo bilinearni algoritam koji nam omogućuje bolji prikaz udaljenih objekata i površina. Međutim, sva četiri teksela ne daju tehnologiji dovoljnu fleksibilnost, osim toga, bilinearno filtriranje ne maskira prijelaze na sljedeću razinu skaliranja, radeći sa svakim dijelom teksture odvojeno, a njihove se granice mogu vidjeti. Dakle, na velikoj udaljenosti ili pod velikim kutom, teksture su jako zamagljene, što sliku čini neprirodnom, kao da je za ljude s kratkovidnošću, plus za teksture sa složenim uzorcima, vidljive spojne linije tekstura različitih rezolucija. Ali mi smo iza zaslona monitora, ne trebamo kratkovidost i razne nerazumljive linije!

Trilinearno filtriranje

Ova tehnologija je dizajnirana za ispravljanje crteža na linijama promjene tekstura ljestvice. Dok bilinearni algoritam radi sa svakom razinom MIP-mapiranja odvojeno, trilinearno filtriranje dodatno izračunava granice razina detalja. Uz sve to, zahtjevi za RAM-om se povećavaju, dok poboljšanje slike na udaljenim objektima nije jako uočljivo. Naravno, granice između bliskih razina skaliranja dobivaju bolju obradu nego s bilinearnom, a bez naglih prijelaza izgledaju skladnije, što utječe na ukupni dojam.

Anizotropno filtriranje

Ako izračunamo projekciju linije vidljivosti svakog zaslona piksela na teksturu prema kutu gledanja, dobivamo pogrešne oblike - trapez. Zajedno s upotrebom više teksela za izračun konačne boje, to može dati puno bolji rezultat. Što radi anizotropno filtriranje? S obzirom da u teoriji nema ograničenja u broju korištenih teksela, takav algoritam može prikazati neograničenu računalnu grafiku na bilo kojoj udaljenosti od gledišta i pod bilo kojim kutom koji je idealno usporediv s pravim videom. Filtriranje anizotropnih u svojim sposobnostima počiva samo na tehničkim karakteristikama grafičkih adaptora osobnih računala, na kojima su dizajnirane moderne video igre.

Prikladne grafičke kartice

Anizotropni način filtriranja moguć je na prilagođenim video adaptorima od 1999. godine, počevši od dobro poznatih Riva TNT i Voodoo kartica. Gornje konfiguracije tih kartica dobro su se slagale s pogrešnom procjenom trilinearne grafike i čak su dali podnošljive FPS pokazatelje koristeći x2 anizotropno filtriranje. Posljednja znamenka označava kvalitetu filtriranja, koja ovisi o broju tekstova koji se koriste za izračun konačne boje piksela na zaslonu, u ovom slučaju oni se koriste do 8. Plus, područje hvatanja tih tekstova koji odgovaraju kutu gledanja koristi se u izračunima. radije nego krug, kao prije u linearnim algoritmima. Moderne grafičke kartice mogu obraditi filtriranje pomoću anizotropnog algoritma na razini x16, što znači korištenje 128 tekstova za izračun konačne boje piksela. To obećava značajan napredak u prikazu tekstura koje su daleko od gledišta, kao i ozbiljno opterećenje, ali najnoviji grafički adapteri opremljeni su dovoljnom količinom RAM-a i multi-core procesora kako bi se nosili s ovim zadatkom.

Utjecaj na FPS

Prednosti su jasne, ali koliko će anisotropni filtrirati troškove igrača? Utjecaj na performanse video adaptera za igranje s ozbiljnim punjenjem, objavljenim najkasnije 2010., vrlo je mali, što potvrđuju i testovi neovisnih stručnjaka u brojnim popularnim igrama. Filtriranje anizotropnih tekstura kao x16 na proračunskim karticama pokazuje smanjenje ukupnog FPS-a za 5-10%, a zatim zbog manje produktivnih komponenti grafičkog adaptera. Takva odanost modernog željeza izračunima intenzivnih resursa govori o neprestanoj brizi proizvođača za nas, skromnim igračima. Sasvim je moguće da prelazak na sljedeću razinu kvalitete anizotropije nije daleko, ako nas samo igrodeli ne iznevjeravaju.

Naravno, nije samo anizotropno filtriranje uključeno u poboljšanje kvalitete slike. Hoće li ili ne uključiti, to je do igrača, ali sretni vlasnici najnovijih modela iz Nvidije ili AMD-a (ATI) ne bi trebali ni razmišljati o ovom pitanju - postavljanje anizotropnog filtriranja na maksimalnu razinu neće utjecati na izvedbu i dodati realizam pejzažima i ekstenzivnim lokacijama. Situacija s Intelovim vlasnicima integriranih grafičkih rješenja je malo kompliciranija, jer u ovom slučaju mnogo ovisi o kvaliteti RAM-a računala, frekvenciji takta i volumenu.

Opcije i optimizacija

Kontrola vrste i kvalitete filtriranja dostupna je zahvaljujući posebnom softveru koji regulira upravljačke programe za grafičke kartice. Napredna postavka anizotropnog filtriranja također je dostupna u izbornicima igre. Implementacija visokih rezolucija i korištenje više monitora u igrama prisilili su proizvođače da razmišljaju o ubrzavanju rada svojih proizvoda, uključujući optimizacijom anizotropnih algoritama. Proizvođači kartica u najnovijim driverima uveli su novu tehnologiju nazvanu adaptivna anizotropna filtriranja. Što to znači? Ova značajka, uvedena od strane AMD-a i djelomično implementirana u najnovije Nvidia proizvode, omogućuje smanjenje brzine filtriranja gdje je to moguće. Prema tome, anizotropno filtriranje koeficijentom x2 može obraditi bliske teksture, dok će udaljeni objekti biti prikazani korištenjem složenijih algoritama do maksimalnog koeficijenta x16. Kao i obično, optimizacija daje značajan napredak zbog kvalitete, u nekim mjestima adaptivna tehnologija je sklon pogreškama, vidljivim u ultra postavkama nekih od posljednjih trodimenzionalnih video igara.

Što utječe na anizotropno filtriranje? Korištenje računalne snage video adaptera, u usporedbi s drugim tehnologijama filtriranja, mnogo je veće, što utječe na performanse. Međutim, problem brzine pri korištenju ovog algoritma odavno je riješen u modernim grafičkim čipovima. Zajedno s drugim trodimenzionalnim tehnologijama, anizotropno filtriranje u igrama (koje već predstavljamo) utječe na cjelokupni dojam integriteta slike, posebno kada se prikazuju udaljeni objekti i teksture koje su nagnute prema zaslonu. Ovo je očito glavna stvar koju igrači zahtijevaju.

Gledajući u budućnost

Moderni hardver s prosječnim karakteristikama i višim je u potpunosti sposoban nositi se sa zahtjevima igrača, tako da je riječ o kvaliteti trodimenzionalnog računalnog svijeta sada za programere video igara. Najnovija generacija grafičkih adaptera podržava ne samo visoke razlučivosti i tehnologije za obradu slika s intenzivnim korištenjem resursa kao i anizotropnu filtriranje teksture, već i VR tehnologiju ili podršku za više monitora.