Анизотропно филтриране: какво е необходимо, какво влияе, практическа употреба

Технологиите за показване на 3D обекти на екрана на мониторите на персонални компютри се развиват с пускането на модерни графични адаптери. Получаването на перфектната картина в триизмерни приложения, възможно най-близо до реалното видео, е основната задача на разработчиците на хардуер и основната цел за ценителите на компютърните игри. Технологията, внедрена в най-новото поколение видео карти - анизотропно филтриране в игрите - е предназначена да помогне в това.

Какво е това?

Всеки компютърен играч иска цветната картина на виртуалния свят да се разгърне на екрана, така че, изкачвайки се на върха на планината, да наблюдаваме живописните околности, така че чрез натискане на бутона за ускорение на клавиатурата до самия хоризонт може да се види състезателната писта, и пълна среда под формата на градски пейзажи. Обекти, показани на екрана на монитора, само идеално стоят директно пред потребителя в най-удобния мащаб, всъщност по-голямата част от триизмерните обекти са под ъгъл спрямо линията на видимост. Освен това различното виртуално разстояние на текстурите от гледна точка също прави корекции в размера на обекта и неговите текстури. Изчисленията показват триизмерния свят на двуизмерен екран и се занимават с различни 3D технологии, предназначени да подобрят визуалното възприятие, сред които не на последно място е и текстурното филтриране (анизотропно или трилинейно). Филтрирането на такъв план е сред най-добрите разработки в тази област.

На пръсти

За да разберете какво дава анизотропното филтриране, трябва да разберете основните принципи на алгоритмите за текстуриране. Всички обекти на триизмерния свят се състоят от "рамка" (триизмерен обемен модел на обект) и повърхност (текстура) - двуизмерна картина, "опъната" над рамката. Най-малката част от текстурата е цветният тексел, те са като пиксели на екрана, в зависимост от “плътността” на текстурата, текселите могат да бъдат с различни размери. От многоцветните тексели е пълна картина на всеки обект в триизмерния свят.

На екрана текстовите символи са противоположни на пикселите, чийто брой е ограничен от наличната резолюция. Докато във виртуалната зона на видимост може да има практически безкраен брой текстове, пикселите, които показват картината на потребителя, имат фиксиран брой. Така трансформацията на видимите тексели в цветни пиксели се обработва от алгоритъма за обработка на триизмерни модели - филтриране (анизотропна, билинейна или трилинейна). Повече за всички видове - по-ниски, тъй като те произлизат един от друг.

Среден цвят

Най-простият алгоритъм за филтриране показва цвета на точката за вземане на проби най-близо до гледната точка на всеки пиксел. Всичко е просто: линията на видимост на дадена точка на екрана пада върху повърхността на триизмерен обект, а текстурата на образите връща цвета на тексела, който е най-близо до точката на изпускане, като филтрира всички останали. Идеален за монохроматични цветни повърхности. С малки разлики в цвета, тя дава и доста висококачествена картина, но по-скоро тъпа, тъй като видяхте триизмерни обекти от един и същи цвят? Само шейдърите на осветлението, сенките, отраженията и други са готови да нарисуват всеки предмет в игри като Нова Година, какво да кажат за самите текстури, които понякога представляват произведения на изобразителното изкуство. Дори и сивата, бездушна бетонна стена в съвременните игри не е просто правоъгълник с невидим цвят, тя е осеяна с груби ръбове, понякога с пукнатини и драскотини и други артистични елементи, което довежда виртуалната стена до реални или въображаеми строителни стени възможно най-близо. Като цяло, близкият цвят може да се използва в първите триизмерни игри, но сега играчите са станали много по-взискателни към графиките. Какво е важно: филтрирането на близкия цвят не изисква почти никакво изчисление, т.е. е много икономично по отношение на компютърните ресурси.

Линейно филтриране

Разликите в линейния алгоритъм не са много значими, вместо с най-близката текселна точка, линейното филтриране използва 4 наведнъж и изчислява средния цвят между тях. Единственият проблем е, че на повърхности под ъгъл към екрана, линията на видимост образува елипса върху текстурата, докато линейното филтриране използва идеален кръг, за да избере най-близките тексели, независимо от ъгъла на гледане. Използването на четири тексела вместо един ви позволява значително да подобрите рисуването на текстури, отдалечени от гледна точка, но все още не достатъчно, за да отразят правилно изображението.

MIP-картографиране

Тази технология ви позволява леко да оптимизирате чертежа на компютърната графика. За всяка текстура се създава определен брой копия с различна степен на детайлност, за всяко ниво на детайлност се избира снимка, например за дълъг коридор или обширна зала, близо до подове и стени изискват възможно най-голяма детайлност, докато далечните ъгли покриват само няколко пиксела и не изискват значителен детайл. Тази триизмерна графична функция помага да се избегне замъгляването на далечни текстури, както и изкривяването и загубата на изображението, и работи заедно с филтрирането, защото видео адаптерът не може самостоятелно да реши кои тексели са важни за завършване на картината и които не са много добри за изчисляване на филтриране.

Билинейно филтриране

Използвайки заедно линейно филтриране и MIP текстуриране, получаваме билинейна алгоритъм, който ни позволява да показваме по-добре отдалечени обекти и повърхности. Все пак, едни и същи 4 тексала не дават на технологията достатъчна гъвкавост, освен това, билинейното филтриране не маскира преходите към следващото ниво на мащабиране, работещи с всяка част от текстурата поотделно, и техните граници могат да се видят. Така, на голямо разстояние или при голям ъгъл, текстурите са силно замъглени, което прави картината неестествена, сякаш за хора с късогледство, плюс за текстури със сложни модели, видими са линиите на съединенията от текстури с различни резолюции. Но ние сме зад екрана на монитора, нямаме нужда от късогледство и различни неразбираеми линии!

Трилинейно филтриране

Тази технология е предназначена да коригира чертежа по линиите на промяна на текстурите на скалата. Докато билинейният алгоритъм работи с всяко ниво на MIP-картиране отделно, трилинейното филтриране допълнително изчислява границите на нивата на детайлите. С всичко това, изискванията за RAM се увеличават, докато подобряването на изображението на отдалечени обекти не е много забележимо. Разбира се, границите между близките нива на скалиране получават по-добра обработка, отколкото с билинейната, и изглеждат по-хармонично без рязко преминаване, което се отразява на цялостното впечатление.

Анизотропно филтриране

Ако изчислим проекцията на линията на видимост на всеки пиксел на екрана върху текстурата според ъгъла на наблюдение, получаваме погрешни форми - трапецовидна. Заедно с използването на повече текстове за изчисляване на крайния цвят, това може да даде много по-добър резултат. Какво прави анизотропното филтриране? Като се има предвид, че на теория няма ограничения за броя на използваните тексели, такъв алгоритъм е способен да показва компютърна графика с неограничено качество на всяко разстояние от гледна точка и под всеки ъгъл, идеално сравним с реалното видео. Филтрирането на анизотропните по своите възможности зависи само от техническите характеристики на графичните адаптери на персонални компютри, върху които са проектирани съвременни видео игри.

Подходящи видео карти

Режимът на анизотропно филтриране е възможен за персонализирани видео адаптери от 1999 г. насам, като се започне с добре познатите карти Riva TNT и Voodoo. Най-горните конфигурации на тези карти се справиха добре с погрешното изчисление на трилинейната графика и дори дадоха допустими FPS индикатори, използвайки x2 анизотропно филтриране. Последната цифра показва качеството на филтриране, което, от своя страна, зависи от броя на текстовете, използвани за изчисляване на крайния цвят на пиксела на екрана, в този случай те се използват до 8. Освен това, в изчисленията се използва зоната на улавяне на тези текстове, съответстваща на ъгъла на оглед. а не кръг, както при линейните алгоритми. Съвременните видеокарти са способни да обработват филтрирането чрез анизотропен алгоритъм на ниво x16, което означава използване на 128 тексела за изчисляване на крайния цвят на пиксела. Това обещава значително подобрение в показването на текстури, които са далеч от гледна точка, както и сериозно натоварване, но най-новите графични адаптери са оборудвани с достатъчно количество RAM и многоядрени процесори за справяне с тази задача.

Въздействие върху FPS

Предимствата са ясни, но колко ще играят анизотропните филтриращи разходи? Въздействието върху производителността на видео адаптерите със сериозно запълване, издадено не по-късно от 2010 г., е много малко, което се потвърждава от тестовете на независими експерти в редица популярни игри. Филтрирането на анизотропните текстури като x16 на бюджетни карти показва намаляване на общата FPS с 5-10% и след това поради по-малко продуктивните компоненти на графичния адаптер. Такава лоялност на съвременните желязо към ресурсоемките изчисления говори за непрестанната грижа за производителите за нас, скромните геймъри. Напълно е възможно преходът към следващите нива на качество на анизотропията да не е далеч, ако само иглоделите не ни разочароват.

Разбира се, не само анизотропното филтриране се включва в подобряването на качеството на картината. Дали да го включите, зависи от играча, но щастливите собственици на последните модели от Nvidia или AMD (ATI) не трябва дори да мислят за този проблем - задаването на анизотропно филтриране до максимално ниво няма да повлияе на производителността и ще добави реализъм към пейзажи и обширни локации. Ситуацията със собствениците на интегрирани графични решения от Intel е малко по-сложна, тъй като в този случай много зависи от качеството на RAM на компютъра, неговата тактова честота и обем.

Опции и оптимизация

Контролирането на типа и качеството на филтриране е възможно благодарение на специален софтуер, който регулира драйверите за графични карти. В менютата на играта е налична и по-напреднала анизотропна филтрираща настройка. Прилагането на високи резолюции и използването на няколко монитора в игри принудиха производителите да мислят за ускоряване на работата на своите продукти, включително чрез оптимизиране на анизотропните алгоритми. Производителите на карти в най-новите драйвери въведоха нова технология, наречена адаптивна анизотропна филтрация. Какво означава това? Тази функция, въведена от AMD и частично внедрена в най-новите продукти на Nvidia, прави възможно намаляването на скоростта на филтриране, където е възможно. По този начин, анизотропното филтриране по коефициента х2 може да обработва близките текстури, докато отдалечените обекти ще бъдат визуализирани с помощта на по-сложни алгоритми до максималния x16 коефициент. Както обикновено, оптимизацията дава значително подобрение благодарение на качеството, на места адаптивната технология е податлива на грешки, забележими в ултра настройките на някои от последните триизмерни видео игри.

Какво влияе анизотропното филтриране? Използването на изчислителна мощност на видео адаптери, в сравнение с други технологии за филтриране, е много по-високо, което се отразява на производителността. Въпреки това, проблемът с скоростта при използване на този алгоритъм отдавна е решен в съвременните графични чипове. Заедно с другите триизмерни технологии, анизотропното филтриране в игрите (което вече представяме) влияе върху цялостното впечатление за целостта на изображението, особено когато се показват отдалечени обекти и текстури, които са под ъгъл към екрана. Това очевидно е основното, което се изисква от играчите.

Поглед към бъдещето

Модерният хардуер със средни характеристики и по-високи е напълно способен да се справи с изискванията на играчите, така че думата за качеството на триизмерните компютърни светове сега стои зад разработчиците на видео игри. Последното поколение графични адаптери поддържат не само високи резолюции и такива ресурсоемки технологии за обработка на изображения като анизотропно филтриране на текстура, но също и VR технология или поддръжка на няколко монитора.