На что влияет анизотропная фильтрация
Анизотропная фильтрация
Фильтрация текстур: основная идея
Чтобы понять разницу между различными алгоритмами фильтрации нужно сначала понять, что пытается сделать фильтрация. Ваш экран имеет определенное разрешение и состоит из того, что называется пикселями. Разрешение определяется количеством пикселей. Ваша 3D плата должна определить цвет каждого из этих пикселей. Основой для определения цвета пикселей служат текстурные изображения, которые накладываются на полигоны, расположенные в трехмерном пространстве. Текстурные изображения состоят из пикселей, называемых текселями. По сути, эти тексели являются пикселями 2D изображения, которые наложены на 3D поверхность. Главный вопрос таков: какой тексель (или какие тексели) определяет цвет пикселя на экране?
Представьте себе следующую проблему: предположим, что ваш экран это плита с большим количеством отверстий (давайте исходить из предположения, что пиксели имеют круглую форму). Каждое отверстие это пиксель. Если вы посмотрите через отверстие, вы увидите какой цвет оно имеет, соотносительно трехмерной сцены, раполагающейся за плитой. Теперь представьте себе световой луч, проходящий через одно из этих отверстий и попадающий на текстурированный полигон, расположенный за ним. Если полигон расположен параллельно экрану (т.е. нашей воображаемой плите с отверстиями), тогда световой луч попав на него образует круглое световой пятно (см. рис. 1). Теперь, вновь подключив воображение, заставим полигон вращаться вокруг своей оси и самые простые познания подскажут вам, что форма светового пятна изменится, и вместо круглой станет эллиптической (см. рис. 2 и 3). Вы, вероятно, желаете знать, какое отношение имеет это пятно света к проблеме определения цвета пикселя. Элементарно, все полигоны, расположенные в этом пятне света определяют цвет пикселя. Все, что мы тут обсудили и есть основные знания, которые необходимо знать для того, что бы понять различные алгоритмы фильтрации.
Посмотреть на различные формы светового пятна можно на следующих примерах:
1. Point Sampling
Point Sampling — поточечная выборка. Это самый простой способ определения цвета пикселя на основе текстурного изображения. Вам нужно всего лишь выбрать тексель, ближе всех расположенный к центру светового пятна. Разумеется, вы совершаете ошибку, так как цвет пикселя определяют несколько текселей, а вы выбрали только один. Вы так же не принимаете во внимание тот факт, что форма светового пятна может измениться.
Главный преимущество такого метода фильтрации — это низкие требования к ширине полосы пропускания памяти, т.к. для определения цвета пикселя вам нужно выбрать всего лишь один тексель из текстурной памяти.
Главный недостаток — это тот факт, что когда полигон расположен ближе к экрану (или точке наблюдения) количество пикселей будет больше, чем количество текселей, следствием чего станет блочность и общее ухудшение качества изображений.
Однако, главная цель применения фильтрации это не улучшение качества при сокращении расстояния от точки наблюдения до полигона, а избавление от эффекта неправильного расчета глубины сцены (depth aliasing).
2. Bi-Linear Filtering
Bi-Linear Filtering — билинейная фильтрация. Состоит в использовании интерполяционной техники. Иными словами, применительно к нашему примеру, для определения текселей, которые должны быть задействованы для интерполяции, используется основная форма светового пятна — круг. По существу, круг аппроксимируется 4 текселями. Этот способ фильтрации представляет собой существенно лучше поточечной выборки (point sampling), так как отчасти принимается во внимание форма светового пятна и используется интерполяция. Это означает, что если полигон приближается слишком близко к экрану или точке наблюдения, то для интерполяции потребуется больше текселей, чем в действительности доступно. В результате получается прекрасно выглядящее расплывчатое изображение, впрочем это лишь побочный эффект.
Главный недостаток билинейной фильтрации в том, что аппроксимация выполняется корректно только для полигонов, которые расположены параллельно экрану или точке наблюдения. Если полигон развернут под углом (а это в 99% случаев), значит вы используете неправильную аппроксимацию. Неправильность заключается в том, что вы используете аппроксимацию круга, в то время, как должны аппроксимировать эллипс. Главная проблема в том, что при билинейной фильтрации требуется считывать по 4 текселя из текстурной памяти для определения цвета каждого выводимого на экран пикселя, а значит требования к ширине полосы пропускания памяти увеличиваются в четыре раза, по сравнению с поточечной фильтрацией.
3. Tri-Linear filtering
Tri-Linear filtering — трилинейная фильтрация, представляет собой симбиоз mip-текстурирования и билинейной фильтрации. Фактически, вы производите билинейную фильтрацию на двух mip уровнях, что в результате дает вам 2 текселя, по одному для каждого mip уровня. Цвет пикселя, который должен быть выведен на экран, определяется в результате интерполяции по цветам двух mip-текстур. По сути, mip уровни представляют собой заранее рассчитанные более маленькие версии исходной текстуры, а это означает, что мы получаем более хорошую аппроксимацию текселей, расположенных в пятне света.
Эта техника обеспечивает лучшую фильтрацию, но имеет лишь небольшие преимущества перед билинейной фильтрацией. Требования к ширине полосы пропускания памяти удваиваются, по сравнению с билинейной фильтрацией, так как вам необходимо считать 8 текселей из текстурной памяти. Использование мипмеппинга обеспечивает лучшую аппроксимацию (используется большее число текселей, расположенных в световом пятне) по всем текселям в световом пятне, благодаря использованию заранее рассчитанных mip-текстур.
4. Anisotropic filtering
Anisotropic filtering — анизотропная фильтрация. Итак, чтобы получить действительно хорошие результаты, вы должны помнить, что все тексели в световом пятне определяют цвет пикселя. Вы так же должны помнить, что форма светового пятна изменяется вместе с изменением положения полигона относительно точки наблюдения. До этого момента мы использовали лишь 4 текселя вместо всех текселей, покрываемых световым пятном. Это означает, что все эти техники фильтрации дают искаженный результат, когда полигон расположен дальше от экрана или от точки наблюдения, т.к. вы не используете достаточный объем информации. На самом деле вы осуществляете сверх меры фильтрацию в одном направлении, и совершенно недостаточно фильтруете во всех остальных. Единственным преимуществом у всех описанных выше фильтраций является тот факт, что при приближении к точке наблюдения, изображение выглядит менее блочным (хотя это всего лишь побочный эффект). Таким образом, чтобы добиться наилучшего качества, мы должны использовать все тексели, покрываемые световым пятном и усреднять их значение. Однако, это серьезно ударяет по пропускной способности памяти — ее попросту может не хватить, и выполнить такую выборку с усреднением нетривиальная задача.
Вы можете использовать разнообразные фильтры для аппроксимации формы светового пятна в виде эллипса для нескольких возможных углов положения полигона относительно точки зрения. Существуют техники фильтрации, которые используют от 16 до 32 текселей из текстуры для определения цвета пикселя. Правда использование подобной техники фильтрации требует существенно большей ширины полосы пропускания памяти, а это почти всегда невозможно в существующих системах визуализации без применения дорогостоящих архитектур памяти. В системах визуализации, использующих тайлы 1 существенно экономятся ресурсы полосы пропускания памяти, что позволяет использовать анизотропную фильтрацию. Визуализация с применением анизотропной фильтрации обеспечивает лучшее качество изображения, за счет лучшей глубины детализации и более точного представления текстур, наложенных на полигоны, которые расположены не параллельно экрану или точке наблюдения.
1 Tile (тайл) — плитка или фрагмент изображения. Фактически тайл представляет собой участок изображения, обычно с размером 32 на 32 пикселя; по этим участкам осуществляется сортировка с целью определения, какие полигоны, попадающий в этот тайл являются видимыми. Тайловая техника реализована в чипсетах VideoLogic/NEC.
Дополнительную информацию по данной теме можно прочитать здесь и здесь.
Фильтрация анизотропная: для чего нужна, на что влияет, практическое использование
Технологии отображения 3D-объектов на экране мониторов персональных компьютеров развиваются вместе с выпуском современных графических адаптеров. Получение идеальной картинки в трёхмерных приложениях, максимально приближённой к реальному видео, является основной задачей разработчиков железа и главной целью для ценителей компьютерных игр. Помочь в этом призвана технология, реализованная в видеокартах последних поколений — анизотропная фильтрация в играх.
Что это такое?
Каждому компьютерному игроку хочется, чтобы на экране разворачивалась красочная картина виртуального мира, чтобы, взобравшись на вершину горы, можно было обозревать живописные окрестности, чтобы, нажимая до отказа кнопку ускорения на клавиатуре, до самого горизонта можно было увидеть не только прямую трассу гоночного трека, а и полноценное окружение в виде городских пейзажей. Объекты, отображаемые на экране монитора, только в идеале стоят прямо перед пользователем в самом удобном масштабе, на самом деле подавляющее большинство трёхмерных объектов находится под углом к линии зрения. Более того, различное виртуальное расстояние текстур до точки взгляда также вносит коррективы в размеры объекта и его текстур. Расчётами отображения трёхмерного мира на двумерный экран и заняты различные 3D-технологии, призванные улучшить зрительное восприятие, в числе которых не последнее место занимает текстурная фильтрация (анизотропная или трилинейная). Фильтрация такого плана относится к числу лучших разработок в этой области.
На пальцах
Чтобы понять, что даёт анизотропная фильтрация, нужно понимать основные принципы алгоритмов текстурирования. Все объёкты трёхмерного мира состоят из «каркаса» (трехмерной объёмной модели предмета) и поверхности (текстуры) — двумерной картинки, «натянутой» поверх каркаса. Малейшая часть текстуры — цветной тексель, это как пиксели на экране, в зависимости от «плотности» текстуры, тексели могут быть разных размеров. Из разноцветных текселей состоит полная картина любого объекта в трёхмерном мире.
Ближний цвет
Самым простым алгоритмом фильтрации является отображение цвета ближайшего к точке зрения каждого пискеля (Point Sampling). Всё просто: луч зрения определённой точки на экране падает на поверхность трёхмерного объекта, и текстура изображений возвращает цвет ближайшего к точке падения текселя, отфильтровывая все остальные. Идеально подходит для однотонных по цвету поверхностей. При небольших перепадах цвета тоже даёт вполне качественную картинку, но довольно унылую, так как где вы видели трёхмерные объекты одного цвета? Одни только шейдеры освещения, теней, отражений и другие готовы раскрасить любой объект в играх как новогоднюю ёлку, что же говорить о самих текстурах, которые порою представляют собой произведения изобразительного искусства. Даже серая бездушная бетонная стена в современных играх — это вам не просто прямоугольник невзрачного цвета, это испещрённая шероховатостями, порою трещинами и царапинами и другими художественными элементами поверхность, максимально приближающая вид виртуальной стены к реальным или выдуманным фантазией разработчиков стенам. В общем, ближний цвет мог быть использован в первых трёхмерных играх, сейчас же игроки стали гораздо требовательнее к графике. Что немаловажно: фильтрация ближнего цвета практически не требует вычислений, то есть очень экономична в плане ресурсов компьютера.
Линейная фильтрация
Отличия линейного алгоритма не слишком существенны, вместо ближайшей точки-текселя линейная фильтрация использует сразу 4 и рассчитывает средний цвет между ними. Единственная проблема, что на поверхностях, расположенных под углом к экрану, луч зрения образует как бы эллипс на текстуре, тогда как линейная фильтрация использует идеальный круг для подбора ближайших текселей независимо от угла обзора. Использование четырёх текселей вместо одного позволяет значительное улучшить прорисовку удалённых от точки обзора текстур, но всё равно недостаточно, чтобы корректно отразить картинку.
Mip-mapping
Билинейная фильтрация
Используя вместе линейную фильтрацию и MIP-текстурирование, получаем билинейный алгоритм, который позволяет ещё лучше отображать удалённые объекты и поверхности. Однако всё те же 4 текселя не дают технологии достаточной гибкости, к тому же билинейная фильтрация не маскирует переходы на следующий уровень масштабирования, работая с каждой частью текстуры по отдельности, и их границы могут быть видны. Таким образом, на большом удалении или под большим углом текстуры сильно размываются, делая картинку неестественной, как будто для людей с близорукостью, плюс для текстур со сложными рисунками заметны линии стыка текстур разного разрешения. Но мы же за экраном монитора, не нужна нам близорукость и разные непонятные линии!
Трилинейная фильтрация
Эта технология призвана исправить прорисовку на линиях смены масштаба текстур. Тогда как билинейный алгоритм работает с каждым уровнем mip-mapping по отдельности, трилинейная фильтрация дополнительно просчитывает границы уровней детализации. При всём этом растут требования к оперативной памяти, а улучшение картинки на удалённых объектах при этом не слишком ощутимо. Само собой, границы между ближними уровнями масштабирования получают лучшую обработку, нежели при билинейной, и более гармонично смотрятся без резких переходов, что сказывается на общем впечатлении.
Анизотропная фильтрация
Если просчитывать проекцию луча зрения каждого экранного пикселя на текстуре согласно углу обзора, получатся неправильные фигуры — трапеции. Вкупе с использованием большего количества текселей для расчётов итогового цвета это может дать гораздо лучший результат. Что даёт анизотропная фильтрация? Учитывая, что пределов количества используемых текселей в теории нет, такой алгоритм способен отображать компьютерную графику неограниченного качества на любом удалении от точки обзора и под любым углом, в идеале сравнимую с реальным видео. Фильтрация анизотропная по своим возможностям упирается лишь в технические характеристики графических адаптеров персональных компьютеров, на которые и рассчитаны современные видеоигры.
Подходящие видеокарты
Режим анизотропной фильтрации был возможен на пользовательских видеоадаптерах уже с 1999 года, начиная с известных карт Riva TNT и Voodoo. Топовые комплектации этих карт вполне справлялись с просчётом трилинейной графики и даже выдавали сносные показатели FPS с использованием анизотропной фильтрации х2. Последняя цифра указывает на качество фильтрации, которое, в свою очередь, зависит от количества текселей, занятых в расчёте итогового цвета пикселя на экране, в данном случае их используется целых 8. Плюс ко всему, при расчётах используется соответствующая углу зрения область захвата этих текселей, а не круг, как в линейных алгоритмах ранее. Современные видеокарты способны обрабатывать фильтрацию анизотропным алгоритмом на уровне х16, что означает использование 128 текселей для расчётов итогового цвета пикселя. Это сулит значительное улучшение отображения удалённых от точки обзора текстур, а также и серьёзную нагрузку, но графические адаптеры последних поколений снабжены достаточным количеством оперативной памяти и многоядерными процессорами, чтобы справляться с этой задачей.
Влияние на FPS
Преимущества понятны, но как дорого обойдётся игрокам анизотропная фильтрация? Влияние на производительность игровых видеоадаптеров с серьёзной начинкой, выпущенных не позднее 2010 года, очень незначительно, что подтверждают тесты независимых экспертов в ряде популярных игр. Фильтрация текстур анизотропная в качестве х16 на бюджетных картах показывает снижение общего показателя FPS на 5-10%, и то за счёт менее производительных компонентов графического адаптера. Такая лояльность современного железа к ресурсоёмким вычислениям говорит о непрестанной заботе производителей о нас, скромных геймерах. Вполне возможно, что не за горами переход на следующие уровни качества анизотропии, лишь бы игроделы не подкачали.
Опции и оптимизация
Управление типом и качеством фильтрации доступно благодаря специальному ПО, регулирующему драйвера графических адаптеров. Также расширенная настройка анизотропной фильтрации доступна в игровых меню. Реализация больших разрешений и использование нескольких мониторов в играх заставили производителей задуматься об ускорении работы своих изделий, в том числе за счёт оптимизации анизотропных алгоритмов. Производители карт в последних версиях драйверов представили новую технологию под названием адаптивная анизотропная фильтрация. Что это значит? Эта функция, представленная AMD и частично реализованная в последних продуктах Nvidia, позволяет снижать коэффициент фильтрации там, где это возможно. Таким образом, фильтрация анизотропная коэффициентом х2 может обрабатывать ближние текстуры, тогда как удалённые объекты пройдут рендеринг по более сложным алгоритмам вплоть до максимального х16-коэффициента. Как обычно, оптимизация даёт существенное улучшение за счёт качества, местами адаптивная технология склонна к ошибкам, заметным на ультранастройках некоторых последних трёхмерных видеоигр.
На что влияет анизотропная фильтрация? Задействование вычислительных мощностей видеоадаптеров, по сравнению с другими технологиями фильтрации, намного выше, что сказывается на производительности. Впрочем, проблема быстродействия при использовании этого алгоритма давно решена в современных графических чипах. Вместе с остальными трёхмерными технологиями анизотропная фильтрация в играх (что это такое мы уже представляем) влияет на общее впечатление о целостности картинки, особенно при отображении удалённых объектов и текстур, расположенных под углом к экрану. Это, очевидно, главное, что требуется игрокам.
Взгляд в будущее
Современное железо со средними характеристиками и выше вполне способно справиться с требованиями игроков, поэтому слово о качестве трёхмерных компьютерных миров сейчас за разработчиками видеоигр. Графические адаптеры последнего поколения поддерживают не только высокие разрешения и такие ресурсоёмкие технологии обработки изображений, как фильтрация текстур анизотропная, но и VR-технологии или поддержку нескольких мониторов.
Анизотропная фильтрация: что это такое, на что влияет, нужно ли включать
Современные компьютерные игры немыслимы без использования изощрённых технологий, на базе которых разрабатываются эффекты, позволяющие улучшить качество картинки. Этот процесс можно назвать бесконечным – совершенствование технической базы сопровождается адекватным ростом разрешения монитора, поэтому борьбе за пиксели и ресурсы ПК не видно конца. С другой стороны, «в обороте» имеется значительное количество устаревшей техники, обладателям которой приходится решать очень серьёзные задачи по нахождению компромисса между качеством картинки и скоростью прорисовки. Анизотропная фильтрация – эффект, направленный на улучшение качества. Но какой ценой это достигается?
Что такое анизотропная фильтрация применительно к играм
Под термином анизотропная фильтрация (АФ) понимают метод, применяемый в трехмерных графических вычислениях, который способствует улучшению качества отрисовки текстур на поверхностях, расположенных под углом относительно игрока/зрителя.
Давайте попробуем разобраться, что значит использование анизотропной фильтрации с точки зрения используемой технологии.
Принцип работы АФ заключается в попиксельном анализе области отрисовываемой текстуры и построении шаблона по итогам произведённых вычислений с его выводом на монитор. Под очень большими углами каждый пиксель может охватывать область, которая задействована в большом количестве смежных участков текстуры, и именно поэтому анизотропная фильтрация достаточно требовательная к объёмам вычислений. И даже использование таких прогрессивных технологий, как кэширование данных по текстурам, не в состоянии существенно снизить потребление видеопамяти при использовании АФ.
Отдельные производители видеокарт разрабатывают собственные алгоритмы фильтрации, оптимизированные под прорисовку общих геометрических контуров, характерных для игр (стены, протолок, небо, пол).
Что даёт анизотропная фильтрация в современных играх? Прежде всего устраняет алиасинг, который характерен для наклонных текстур. Имеется в виду пикселизация изображения на подобных участках. Дополнительным эффектом АФ является сглаживание размытости таких текстур, что особенно заметно в сравнении с другими типами фильтраций, например, трилинейной и билинейной. Отметим ещё одну важную особенность анизотропной фильтрации: она касается только просчёта текстур на форме, но сама форма остаётся неизменной.
Из вышесказанного можно понять, для чего нужна в играх технология анизотропной фильтрации: она позволяет добиться большей детализации картинки. Из-за потребности в больших объёмах вычислений АФ стала доступной в массовой категории видеокарт примерно с 2004 года, хотя передовые модели графических адаптеров умели использовать эту технологию ещё с середины 90-х.
Её можно активировать либо в настройках видеоакселератора, и мы расскажем, как это сделать, либо непосредственно в используемом приложении, большинство игр имеют такую опцию в настройках.
Единственный параметр, который можно менять при использовании АФ – коэффициент фильтрации, принимающий одно из четырёх возможных значений (2x/4x/8x/16x). Что подразумевается под этими коэффициентами? Это количество обрабатываемых рядом стоящих текселей (число пикселей, приходящихся на определённый размер сцены), для которых производится усреднение цвета. Понятно, что чем ниже показатель, тем хуже будет проявляться эффект, но поскольку анизотропная фильтрация создаёт немалую нагрузку на оборудование, к выбору оптимального значения параметра следует подходить взвешенно, учитывая мощность видеокарты. Единственный момент, который бы хотелось уточнить, – между режимом 8х и 16х разница в производительности будет небольшая, так что последний можно рекомендовать как предпочтительный, если вы хотите получить идеальную картинку, особо не рискуя скоростью прорисовки.
Итак, мы выяснили, на что влияет анизотропная фильтрация: на производительность (fps) просчёта кадра и его качество, а поскольку NVidia и AMD используют одинаковый алгоритм АФ, то не имеет значения, какой бренд видеокарты установлен на вашем компьютере. Главное – насколько она мощная.
Если на слабом компьютере вы играете в требовательную к вычислительной мощности игру, режим сглаживания цвета вам принесёт больше неудобств и разочарований, чем практической пользы.
С практической точки зрения использование коэффициентов 8х и 16х при анизотропной фильтрации позволит получить менее заметные переходы в цвете при приближении к объекту, чем при более низких значениях параметра. С другой стороны, при резком ускорении объекта или повороте камеры пикселизации на стыках текстур не избежать.
Как включить режим анизотропной фильтрации
Если у вас установлен видеоадаптер Radeon, щелкните ПКМ по пустой области рабочего стола и в появившемся контекстном меню выберите «Настройки Radeon».
Если у вас установлена фирменная утилита AMD Radeon Software, просто запустите её. Затем перейдите во вкладку «Настройки» и выберите пункт «Видеокарта».
В списке доступных эффектов будет «Анизотропная фильтрация». Чтобы её включить, нужно передвинуть ползунок в соответствующее положение, и тогда станет доступным выбор параметра АФ, от 2х до 16х.
Тем, у кого имеется видеоадаптер NVIDIA, нужно открыть «Панель управления NVIDIA», выбрать вкладку «Параметры 3D» пункт меню «Управление параметрами 3D».
Откроется окно с перечнем глобальных параметров, в котором нужно найти Анизотропную фильтрацию и включить её. Имеется также возможность активировать АФ для отдельных приложений, тоже присутствующих в списке, и именно этот режим используется по умолчанию.
Выключить анизотропную оптимизацию текстур можно аналогичным способом.
Заключение
При достаточно мощном железе использование АФ однозначно показано, особенно в играх с большим количеством наклонных текстур и объёктов. В этом случае вытянутый образ пикселя без анизотропной фильтрации будет выглядеть с заметной лесенкой, особенно при приближении объекта. Если вместо билинейной выбрать АФ, за счёт сглаживания цветов получится картинка лучшего качества.
Какой уровень анизотропной фильтрации лучше? Зависит от нескольких факторов, прежде всего – производительности оборудования и сложности приложения, насколько высоки его системные требования. Вы можете экспериментальным путём установить в какой игре лучше задействовать АФ, в какой – би- или трилинейную. По мере приобретения опыта вы сможете «на автомате» определять оптимальный для конкретной игры режим.
И в заключение приводим практические советы по типам игр, в которых использование анизотропной фильтрации будет нелишним. Это шутеры, особенно от первого лица, гонки или различные симуляторы. Для них характерны динамичные пейзажи с вытянутой перспективой на растянутой местности.
Не включать АФ можно в спортивных симуляторах или стратегиях, где всё действо развивается на статическом фоне, занимающем большую часть монитора.