Anizotropní filtrování: co je potřeba, co ovlivňuje, praktické použití

Technologie pro zobrazování 3D objektů na obrazovce osobních počítačových monitorů se vyvíjejí s vydáváním moderních grafických adaptérů. Získání perfektního obrazu v trojrozměrných aplikacích, co nejblíže k reálnému videu, je hlavním úkolem vývojářů hardwaru a hlavním cílem znalců počítačových her. Technologie implementovaná v nejnovější generaci grafických karet - anizotropní filtrování v hrách - má v této věci pomoci.

Co to je?

Každý počítačový přehrávač chce, aby se barevný obraz virtuálního světa rozvinul na obrazovce, takže když se dostanete na vrchol hory, můžete pozorovat malebné okolí, takže stisknutím klávesy pro zrychlení na klávesnici můžete vidět do samého horizontu závodní dráhu, a kompletní prostředí ve formě městské krajiny. Objekty, které se zobrazují na obrazovce monitoru, mají ideální polohu přímo před uživatelem v nejvhodnějším měřítku, ve skutečnosti je většina trojrozměrných objektů v úhlu k zornému poli. Navíc různá virtuální vzdálenost textur z pohledu také upravuje velikost objektu a jeho textury. Výpočty zobrazují trojrozměrný svět na dvourozměrné obrazovce a zabývají se různými 3D technologiemi navrženými ke zlepšení vizuálního vnímání, mezi které patří zejména filtrování textur (anizotropní nebo třílinová). Filtrování takového plánu patří k nejlepším vývojům v této oblasti.

Na prstech

Chcete-li pochopit, co dává anizotropní filtrování, musíte pochopit základní principy texturních algoritmů. Všechny objekty trojrozměrného světa se skládají z "rámu" (trojrozměrného objemového modelu objektu) a povrchu (textury) - dvourozměrného obrazu "nataženého" přes rám. Nejmenší část textura je barva texel, to jsou jako pixely na obrazovce, v závislosti na "hustotě" textura, texels může být různých velikostí. Z vícebarevných textů je úplný obraz jakéhokoli objektu v trojrozměrném světě.

Na obrazovce jsou texels oproti pixelům, jejichž počet je omezen dostupným rozlišením. Zatímco ve virtuální zóně viditelnosti může být prakticky nekonečný počet texelů, pixely, které zobrazují obrázek uživateli, mají pevné číslo. Takže transformace viditelných texelů na barevné pixely je řešena algoritmem pro zpracování trojrozměrných modelů - filtrování (anizotropní, bilineární nebo trilineární). Více o všech typech - nižší v pořadí, protože vycházejí jeden od druhého.

Střední barva

Nejjednodušší filtrační algoritmus zobrazuje barvu bodového vzorkování nejblíže ke každému pixelu. Všechno je jednoduché: přímka určitého bodu na obrazovce spadá na povrch trojrozměrného objektu a textury obrázků vrací barvu texelu, která je nejblíže bodu poklesu a filtrová všechny ostatní. Ideální pro monochromatické barevné povrchy. S malými rozdíly v barvě také dává velmi kvalitní obraz, ale poněkud nudný, odkud jste viděli trojrozměrné předměty stejné barvy? Pouze shadery osvětlení, stínů, odrazů a další jsou připraveny namalovat jakýkoli objekt ve hrách jako strom na Nový rok, co říci o samotných strukturách, které někdy představují díla výtvarného umění. Dokonce i šedá, bezduchá betonová zeď v moderních hrách není jen obdélníkem bezbarvé barvy, je dotčen hrubými okraji, někdy prasklinami a poškrábáním a jinými uměleckými prvky, které přinášejí virtuální stěnu na stěnách skutečných nebo imaginárních vývojářů co nejblíže. Obecně platí, že v prvních trojrozměrných hrách by se mohla použít blízká barva, ale nyní se hráči stali mnohem náročnějšími na grafice. Co je důležité: Filtrování blízké barvy vyžaduje téměř žádný výpočet, to znamená, že je velmi ekonomické z hlediska počítačových zdrojů.

Lineární filtrování

Rozdíly v lineárním algoritmu nejsou příliš významné, namísto nejbližšího texelového bodu, lineární filtrování používá 4 najednou a vypočítá průměrnou barvu mezi nimi. Jediným problémem je to, že na plochách pod úhlem k obrazovce, přímka vidí elipsu texturou, zatímco lineární filtrování používá ideální kružnici pro výběr nejbližších texelů bez ohledu na úhel pohledu. Použití čtyř texelů namísto jednoho umožňuje významně zlepšit kresbu textur vzdálených z pohledu, ale stále ještě nestačí k tomu, aby správně odrážely obraz.

Mip mapování

Tato technologie vám umožní mírně optimalizovat výkres počítačové grafiky. Pro každou strukturu je vytvořen určitý počet kopií s různými stupni detailů, pro každou úroveň detailu je vybrán obrázek například pro dlouhou chodbu nebo pro rozsáhlou halu, v blízkosti podlah a stěn vyžadují co nejvyšší detaily, zatímco vzdálené rohy pokrývají jen několik pixelů a nevyžadují významné detaily. Tato trojrozměrná grafická funkce pomáhá zabraňovat rozmazání vzdálených textur, zkreslení a ztrátu obrazu a spolupracuje s filtrováním, protože grafický adaptér nemůže samostatně rozhodnout, které texty jsou důležité pro dokončení obrazu a které nejsou vhodné pro výpočet filtrování.

Bilineární filtrování

Pomocí společného filtrování a MIP texturování získáme bilineární algoritmus, který nám umožňuje lépe zobrazovat vzdálené objekty a povrchy. Avšak všechny 4 texely nedávají technologii dostatečnou flexibilitu, kromě toho bilineární filtrování nezakrývá přechody na další úroveň měřítka, pracuje s každou částí textu samostatně a jejich hranice je vidět. Takže ve velké vzdálenosti nebo ve velkém úhlu jsou textury silně rozmazané, což způsobuje, že obraz je nepřirozený, jako u lidí s krátkozrakostí a pro textury se složitými vzory, jsou viditelné křižovatky textur různého rozlišení. Ale my jsme za monitorem, nepotřebujeme myopii a různé nepochopitelné linie!

Třílinné filtrování

Tato technologie je navržena tak, aby opravila kreslení na řádcích změn textury měřítka. Zatímco bilineární algoritmus pracuje samostatně s každou úrovní mapování mip, třílinné filtrování dále vypočítává hranice detailních úrovní. Se všemi těmito požadavky se zvyšují požadavky na paměť RAM, zatímco zlepšení obrazu na vzdálených objektech není příliš nápadné. Samozřejmě, že hranice mezi blízkými úrovněmi škálování dosahují lepšího zpracování než u bilineárního, a vypadají harmoničtěji bez náhlých přechodů, což ovlivňuje celkový dojem.

Anizotropní filtrace

Pokud vypočítáme projekci zorného pole každého pixelu na texturu podle pozorovacího úhlu, dostaneme špatné tvary - lichoběžník. Spolu s použitím více texelů pro výpočet konečné barvy to může poskytnout mnohem lepší výsledek. Co dělá anizotropní filtrování? Vzhledem k tomu, že teoreticky neexistují žádné limity počtu použitých texelů, je takový algoritmus schopen zobrazovat počítačovou grafiku neomezené kvality v jakékoliv vzdálenosti od pohledu a v jakémkoli úhlu ideálně srovnatelném s reálným videem. Filtrování anizotropních vlastností spočívá pouze na technických vlastnostech grafických adaptérů osobních počítačů, na kterých jsou navrženy moderní videohry.

Vhodné grafické karty

Anizotropní režim filtrování byl možný na uživatelských video adaptérech od roku 1999, počínaje známými kartami Riva TNT a Voodoo. Horní konfigurace těchto karet se dobře vyrovnala chybnému výpočtu třílinné grafiky a dokonce vydala tolerovatelné indikátory FPS pomocí x2 anizotropního filtrování. Poslední číslice označuje kvalitu filtrování, což závisí na počtu texelů použitých pro výpočet konečné barvy pixelu na obrazovce, v tomto případě jsou používány až 8. Kromě toho se ve výpočtech použije oblast zachycení těchto texelů odpovídající úhlu pohledu. spíše než kruh, jako v lineárních algoritmech dříve. Moderní grafické karty jsou schopny zpracovat filtrování anizotropním algoritmem na úrovni x16, což znamená použití 128 textů pro výpočet konečné barvy pixelu. To slibuje významné zlepšení v zobrazení textur, které jsou daleko od pohledu, stejně jako vážné zatížení, ale nejnovější grafické adaptéry jsou vybaveny dostatečným množstvím RAM a vícejádrových procesorů, aby se s tímto úkolem vyrovnali.

Dopad na FPS

Výhody jsou jasné, ale kolik bude mít anizotropní filtrování hráčů? Dopad na výkon grafických adaptérů s vážnými výplněmi, který byl vydán nejpozději v roce 2010, je velmi malý, což potvrzují testy nezávislých odborníků v mnoha populárních hrách. Filtrování anizotropních textur jako x16 na rozpočtových kartách ukazuje snížení celkového FPS o 5-10% a následkem méně produktivních komponent grafického adaptéru. Taková loajalita moderního železa k výpočtům náročným na zdroje hovoří o neustálé péči o výrobce, o skromné ​​hráče. Je zcela pravděpodobné, že přechod na další úrovně kvality anizotropie není daleko, jestliže nám to nedovolí jen igrodely.

Samozřejmě, není to jen anizotropní filtrování, které se podílí na zlepšení kvality obrazu. Ať už je to zapotřebí, je to záležet na přehrávači, ale šťastní majitelé nejnovějších modelů z Nvidia nebo AMD (ATI) by neměli o tomto problému ani přemýšlet - nastavení anizotropického filtrování na maximální úroveň neovlivní výkon a nepřispěje realismu k krajinám a rozsáhlým místům. Situace s vlastníky integrovaných grafických řešení od společnosti Intel je trochu komplikovanější, protože v tomto případě hodně závisí na kvalitě paměti RAM počítače, jeho frekvenci a objemu hodin.

Možnosti a optimalizace

Ovládání typu a kvality filtrování je k dispozici díky speciálnímu softwaru, který upravuje ovladače grafických karet. Pokročilé nastavení anizotropního filtrování je také k dispozici v herních nabídkách. Implementace vysokých rozlišení a používání více monitorů v hrách přimělo výrobce k přemýšlení o urychlení práce svých výrobků, a to i optimalizací anizotropních algoritmů. Výrobci karet v nejnovějších ovladačích představili novou technologii nazvanou adaptivní anizotropní filtrování. Co to znamená? Tato funkce, zavedená společností AMD a částečně implementovaná v nejnovějších produktech Nvidia, umožňuje snížit rychlost filtrování, pokud je to možné. Anizotropní filtrace koeficientem x2 tedy může zpracovávat blízké textury, zatímco vzdálené objekty budou vykresleny pomocí složitějších algoritmů až do maximálního koeficientu x16. Jako obvykle optimalizace dává výrazné zlepšení kvůli kvalitě, na některých místech je adaptivní technologie náchylná k chybám, které jsou znatelné v ultra nastavení některých posledních třídimenzionálních videohier.

Co ovlivňuje anizotropní filtrování? Využití výpočetní síly video adaptérů ve srovnání s jinými filtračními technologiemi je mnohem vyšší, což ovlivňuje výkon. Problém rychlosti při použití tohoto algoritmu je však již dlouho vyřešen v moderních grafických čipách. Spolu s dalšími trojrozměrnými technologiemi anizotropní filtrování her (které již reprezentujeme) ovlivňuje celkový dojem integrity obrazu, zejména při zobrazování vzdálených objektů a textur, které jsou nakloněny k obrazovce. To je samozřejmě hlavní věc, kterou hráči vyžadují.

Pohled do budoucnosti

Moderní hardware s průměrnými vlastnostmi a vyšší je plně schopen zvládnout požadavky hráčů, takže slovo o kvalitě trojrozměrných počítačových světel je nyní pro vývojáře videohier. Nejnovější generace grafických adaptérů podporuje nejen vysoká rozlišení a takové technologie zpracování obrazu náročné na zdroje, jako filtrování anizotropních textur, ale také technologii VR nebo podporu pro více monitorů.