Anizotropno filtriranje: kaj je potrebno, kaj vpliva, praktična uporaba

Tehnologije za prikazovanje 3D objektov na zaslonu monitorjev osebnih računalnikov se razvijajo z izdajo sodobnih grafičnih adapterjev. Pridobivanje popolne slike v tridimenzionalnih aplikacijah, čim bližje realnemu videu, je glavna naloga razvijalcev strojne opreme in glavni cilj za poznavalce računalniških iger. Tehnologija, ki je vgrajena v najnovejšo generacijo grafičnih kartic - anizotropno filtriranje v igrah - naj bi pomagala pri tem.

Kaj je to?

Vsak računalniški igralec želi, da se na zaslonu razgrne barvita slika virtualnega sveta, tako da lahko, ko se povzpnemo na vrh gore, opazujemo slikovito okolico, tako da lahko s pritiskom na gumb za pospešek na tipkovnici do samega obzorja vidimo dirkalno stezo, popolno okolje v obliki urbanih krajin. Predmeti, prikazani na zaslonu monitorja, samo idealno stojijo neposredno pred uporabnikom na najbolj primerni lestvici, pravzaprav je velika večina tridimenzionalnih objektov pod kotom glede na vidno polje. Različna virtualna oddaljenost teksture od vidika prav tako prilagaja velikost predmeta in njegove teksture. Izračuni prikazujejo tridimenzionalni svet na dvodimenzionalnem zaslonu in se ukvarjajo z različnimi 3D tehnologijami, ki so namenjene izboljšanju vizualne percepcije, med njimi tudi filtriranje teksture (anizotropno ali trilinearno). Filtriranje takšnega načrta je med najboljšimi na tem področju.

Na prstih

Da bi razumeli, kaj daje anizotropno filtriranje, morate razumeti osnovna načela algoritmov teksturiranja. Vsi objekti tridimenzionalnega sveta so sestavljeni iz »okvirja« (tridimenzionalnega volumskega modela objekta) in površine (teksture) - dvodimenzionalna slika »raztegnjena« nad okvirjem. Najmanjši del teksture je barvni teksel, to so kot piksli na zaslonu, odvisno od "gostote" teksture, lahko so tekseli različnih velikosti. Iz večbarvnih tekselov je popolna slika katerega koli predmeta v tridimenzionalnem svetu.

Na zaslonu so besedila nasproti pikslov, katerih število je omejeno z razpoložljivo ločljivostjo. Čeprav lahko v virtualni coni vidnosti obstaja skoraj neskončno število besed, imajo piksli, ki prikazujejo sliko uporabniku, fiksno število. Preoblikovanje vidnih tekselov v barvne pike se izvaja z algoritmom za obdelavo tridimenzionalnih modelov - filtriranje (anizotropno, bilinearno ali trilinearno). Več o vseh vrstah - nižje po vrstnem redu, saj izvirajo drug od drugega.

Srednja barva

Najpreprostejši algoritem filtriranja prikazuje barvo točkovnega vzorčenja, ki je najbližje vidiku vsake piksle. Vse je preprosto: vidno polje določene točke na zaslonu pade na površino tridimenzionalnega objekta in tekstura slike vrne barvo teksela, ki je najbližje točki padca, filtrira vse ostale. Idealno za enobarvne barvne površine. Z majhnimi razlikami v barvi daje tudi precej kakovostno sliko, a bolj dolgočasno, saj ste videli, kje ste videli tridimenzionalne predmete iste barve? Samo shaderji razsvetljave, senc, odsevov in drugi so pripravljeni za vsak predmet v igrah kot novoletno drevo, kaj reči o samih teksturah, ki včasih predstavljajo umetniška dela. Tudi siva, brezdušna betonska stena v sodobnih igrah ni le pravokotnik nenavadne barve, temveč je obdan z grobimi robovi, včasih razpokami in praskami ter drugimi umetniškimi elementi, ki virtualno steno pripeljejo do resničnih ali namišljenih zidov razvijalcev, ki so čim bližje. Na splošno se lahko bližina barve uporabi v prvih tridimenzionalnih igrah, zdaj pa so igralci postali veliko zahtevnejši od grafike. Kaj je pomembno: filtriranje blizu barve ne zahteva skoraj nobenega računanja, kar pomeni, da je zelo ekonomično z vidika računalniških virov.

Linearno filtriranje

Razlike v linearnem algoritmu niso zelo pomembne, namesto najbližje tekselske točke, linearno filtriranje uporablja 4 naenkrat in izračuna povprečno barvo med njimi. Edina težava je, da na površinah pod kotom na zaslon vidna linija tvori elipso na teksturi, medtem ko linearno filtriranje uporablja idealen krog za izbiro najbližjih tekselov, ne glede na kot gledanja. Uporaba štirih tekselov namesto enega vam omogoča, da bistveno izboljšate risanje tekstur, ki so oddaljene z vidika, vendar še vedno ne dovolj, da pravilno odražajo sliko.

Mip-kartiranje

Ta tehnologija vam omogoča rahlo optimizacijo risanja računalniške grafike. Za vsako teksturo je določeno število kopij ustvarjenih z različnimi stopnjami podrobnosti, za vsako stopnjo podrobnosti je izbrana slika, na primer za dolgi hodnik ali veliko dvorano, blizu tal in sten je potrebno čim več podrobnosti, medtem ko oddaljeni vogali pokrivajo le nekaj slikovnih pik in ne zahtevajo le nekaj slikovnih pik. podrobnosti. Ta tridimenzionalna grafična funkcija pomaga preprečevati zameglitev oddaljenih tekstur, pa tudi popačenje in izgubo slike ter deluje skupaj s filtriranjem, ker video adapter ne more samostojno odločiti, katere teksele so pomembne za dokončanje slike in ki niso zelo dobre za izračun filtriranja.

Bilinearno filtriranje

Z uporabo linearnega filtriranja in MIP teksturiranja dobimo bilinearni algoritem, ki nam omogoča boljše prikazovanje oddaljenih objektov in površin. Vendar pa vsa ista 4 teksela ne dajo tehnologiji dovolj prožnosti, poleg tega pa bilinearno filtriranje ne prekriva prehodov na naslednjo raven skaliranja, ki delajo z vsakim delom teksture ločeno, in njihove meje so vidne. Tako so teksture na veliki razdalji ali pod velikim kotom močno zamegljene, zaradi česar je slika nenaravna, kot za ljudi s kratkovidnostjo, plus za teksture s kompleksnimi vzorci, so vidne spojne črte tekstur različnih resolucij. Ampak mi smo za zaslonom monitorja, ne potrebujemo kratkovidnosti in različnih nerazumljivih linij!

Trilinearno filtriranje

Ta tehnologija je zasnovana tako, da popravi risbo na linijah sprememb teksture lestvice. Medtem ko bilinearni algoritem deluje z vsako mip-preslikavo ločeno, trilinearno filtriranje dodatno izračuna meje nivojev podrobnosti. Z vsem tem se zahteve za RAM povečujejo, izboljšanje slike na oddaljenih objektih pa ni zelo opazno. Seveda so meje med bližnjimi nivoji luščenja boljše obdelane kot pri bilinearni, in brez naglih prehodov izgledajo bolj harmonično, kar vpliva na celoten vtis.

Anizotropno filtriranje

Če izračunamo projekcijo pogleda vsake od slikovnih pik na teksturo glede na kot gledanja, dobimo napačne oblike - trapez. Skupaj z uporabo več tekselov za izračun končne barve, lahko to da veliko boljši rezultat. Kaj počne anizotropno filtriranje? Glede na to, da v teoriji ni omejitev glede števila uporabljenih tekselov, je tak algoritem sposoben prikazati računalniško grafiko neomejene kakovosti na vseh razdaljah z vidika in pod katerimkoli kotom, ki je idealno primerljiv z resničnim videom. Filtriranje anizotropnih v svojih zmožnostih temelji le na tehničnih značilnostih grafičnih adapterjev osebnih računalnikov, na katerih so zasnovane sodobne video igre.

Primerne grafične kartice

Anizotropni filtrirni način je mogoč na prilagojenih video adapterjih od leta 1999, začenši z dobro znanimi karticami Riva TNT in Voodoo. Zgornje konfiguracije teh kartic so se dobro ujemale z napačnim izračunom trilinearne grafike in so celo dajale sprejemljive kazalnike FPS z uporabo anizotropnega filtriranja x2. Zadnja številka označuje kakovost filtriranja, ki je odvisna od števila uporabljenih tekselov za izračun končne barve slikovnih pik na zaslonu, v tem primeru se uporablja toliko kot 8. Poleg tega se v izračunih uporablja območje zajemanja teh besedil, ki ustreza zornemu kotu. kot krog, kot v linearnih algoritmih. Sodobne grafične kartice so sposobne obdelovati filtriranje z anizotropnim algoritmom na ravni x16, kar pomeni uporabo 128 tekselov za izračun končne barve slikovnih pik. To obljublja občutno izboljšanje prikaza tekstur, ki so daleč od pogleda, kot tudi resna obremenitev, vendar so najnovejši grafični adapterji opremljeni z zadostno količino pomnilnika RAM in večjedrnih procesorjev, da bi se spoprijeli s to nalogo.

Vpliv na FPS

Prednosti so jasne, toda koliko anizotropnih filtrirajo igralci stroškov? Vpliv na zmogljivost igralnih video adapterjev z resnim polnjenjem, ki je izšla najkasneje leta 2010, je zelo majhen, kar potrjujejo tudi testi neodvisnih strokovnjakov v številnih priljubljenih igrah. Filtriranje anizotropnih tekstur kot x16 na proračunskih karticah kaže zmanjšanje celotnega FPS za 5-10%, nato pa zaradi manj produktivnih komponent grafičnega adapterja. Takšna zvestoba sodobnega železa do izračunov, ki zahtevajo veliko virov, govori o nenehni skrbi proizvajalcev za nas, skromne igralce. Precej možno je, da prehod na naslednjo raven kakovosti anizotropije ni daleč, če nas ne razočarajo samo igrodeli.

Seveda pri izboljšanju kakovosti slike ne sodeluje samo anizotropno filtriranje. Ne glede na to, ali ga vklopite, je odvisno od predvajalnika, vendar srečni lastniki najnovejših modelov iz Nvidie ali AMD (ATI) ne bi smeli niti pomisliti na to vprašanje - nastavitev anizotropnega filtriranja na najvišjo raven ne bo vplivala na zmogljivost in dodala realizem pokrajinam in ekstenzivnim lokacijam. Stanje z Intelovimi lastniki integriranih grafičnih rešitev je nekoliko bolj zapleteno, saj je v tem primeru veliko odvisno od kakovosti RAM-a računalnika, njegove urne frekvence in obsega.

Možnosti in optimizacija

Nadzor nad vrsto in kakovostjo filtriranja je na voljo s pomočjo posebne programske opreme, ki ureja gonilnike za grafične kartice. Napredna anizotropna filtrirna nastavitev je na voljo tudi v menijih iger. Izvajanje visokih resolucij in uporaba več monitorjev v igrah je prisililo proizvajalce k razmišljanju o pospeševanju dela svojih izdelkov, vključno z optimizacijo anizotropnih algoritmov. Proizvajalci kartic v najnovejših gonilnikih so uvedli novo tehnologijo, imenovano adaptivno anizotropno filtriranje. Kaj to pomeni? Ta funkcija, ki jo je uvedel AMD in je bila delno implementirana v najnovejših izdelkih Nvidia, omogoča zmanjšanje stopnje filtriranja, kjer je to mogoče. Tako lahko anizotropno filtriranje s koeficientom x2 obdeluje bližnje teksture, medtem ko bodo oddaljeni predmeti upodobljeni z bolj kompleksnimi algoritmi do največjega koeficienta x16. Kot ponavadi, optimizacija daje pomembno izboljšanje zaradi kakovosti, na nekaterih mestih je prilagodljiva tehnologija nagnjena k napakam, ki so opazne v ultra nastavitvah nekaterih zadnjih tridimenzionalnih video iger.

Kaj vpliva na anizotropno filtriranje? Uporaba računalniške moči video adapterjev v primerjavi z drugimi tehnologijami za filtriranje je veliko višja, kar vpliva na zmogljivost. Vendar pa je problem hitrosti pri uporabi tega algoritma že dolgo rešen v sodobnih grafičnih čipih. Skupaj z drugimi tridimenzionalnimi tehnologijami anizotropno filtriranje v igrah (ki ga že predstavljamo) vpliva na celoten vtis celovitosti slike, zlasti pri prikazovanju oddaljenih predmetov in tekstur, ki so nagnjene na zaslon. To je očitno glavna stvar, ki jo zahtevajo igralci.

Pogled v prihodnost

Sodobna strojna oprema s povprečnimi značilnostmi in višjimi je v celoti sposobna soočiti se z zahtevami igralcev, tako da je beseda o kakovosti tridimenzionalnih računalniških svetov zdaj namenjena razvijalcem video iger. Najnovejša generacija grafičnih vmesnikov podpira ne le visoke ločljivosti in tako intenzivne tehnologije za obdelavo slik kot anizotropno filtriranje teksture, ampak tudi VR tehnologijo ali podporo za več monitorjev.