Различные насторойки фильтрации и сглаживания текстур на примере Counter-Strike:Source. Анизотропная фильтрация

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:

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

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 и .

Помощь в подготовке материала оказал Kristof Beets (PowerVR Power)

Фильтрация анизотропная представляет собой один из таких элементов развития современной графики, который заставляет многих пользователей рассуждать на тему того, насколько сегодня стали доступными различные технологии улучшения изображения для пользователей.

Ведь не стоит скрывать того, что именно геймерам сегодня столько важна максимально качественная трехмерная графика, и именно они на сегодняшний день представляют собой практически единственных потребителей всевозможных новых технологий в области видеокарт. Ведь высокомощный акселератор на данный момент может потребоваться только в том случае, если нужно запустить какую-нибудь игру последнего поколения, в которой присутствует действительно требовательный движок, оперирующий сложнейшими шейдерами различных версий.

Какими бывают карты?

Делать какой-то сверхразвитый движок в наше время - это достаточно серьезная трата средств. И при этом весомый риск. Такими приемами пользуются только высокобюджетные проекты с масштабной рекламой, которые заранее, еще до выхода, уверены в том, что игру будут активно сметать с прилавков. Также следует отметить тот факт, что в последнее время особенное внимание уделяется «политике» касательно современных игровых движков, ведь в сфере игростроя давным-давно присутствует политика, которая предпочитает учитывать интересы двух передовых компаний в области графических процессоров - это NVIDIA и ATI.

Компании достаточно давно соперничают между собой, и на самом деле нет никаких перспектив того, что в ближайшем будущем это противостояние сможет закончиться, однако потребителям это только на руку. Теперь уже мало просто разработать действительно качественный движок, нужно еще и заручиться поддержкой одного из производителей, которые даже создали собственные партнерские программы для игроделов.

А графика все растет и растет…

Сделать абсолютную революцию в сфере графических 3D-движков достаточно сложно, вследствие чего такие перевороты происходят относительно редко. Однако при этом, конечно же, качество изображения периодически улучшается с течением времени и, как ни странно, происходит это как раз под выход какой-то определенной «продающейся» игры наподобие Crysis.

Именно на основе анизотропной фильтрации, а также так называемого антиалиасинга, осуществляется на сегодняшний день выпуск огромнейшего количества различных драйверов видеокарт каждого производителя, при этом каждая компания использует собственный подход и политику касательно данной оптимизации, которая достаточно часто оказывается справедливой далеко не для всех пользователей.

Что такое анизотропная фильтрация?

Фильтрация анизотропная - это специализированный способ улучшения текстур на поверхностях, которые находятся под определенным углом относительно камеры. Точно так же, как трилинейная или же билинейная, анизотропная позволяет полностью устранить алиасинг на разных поверхностях, но при этом вносит минимум размытия, благодаря чему сохраняется предельная детальность изображения.

Стоит отметить тот факт, что анизотропная фильтрация в играх реализуется посредством сложного вычисления, поэтому обеспечение относительно небольшой «прожорливости» данной настройки в играх стало наблюдаться только с 2004 года.

Для того чтобы понять, что представляет собой фильтрация анизотропная, нужно иметь определенные базовые знания в данной области. Конечно, сегодня каждый пользователь прекрасно понимает, что изображение на экране составляется из огромнейшего количества различных пикселей, количество которых непосредственно зависит от разрешения. Для того чтобы вывести изображение на экран, видеокартой должен быть обработан цвет каждого пикселя.

Принцип действия

Выбирается определенная текстура, которая соответствует разрешению, находящемуся поперек направления обзора. После этого берется несколько текселей, находящихся вдоль направления обзора, после чего осуществляется усреднение их цветов.

Так как на экране может находиться более одного миллиона пикселей, а каждый тексель при этом составляет не менее 32 бит, анизотропная фильтрация в играх требует невероятно большой пропускной способности видеокарты, которую не обеспечивают многие даже самые современные устройства. Именно по этой причине такие большие требования к памяти уменьшаются за счет использования кэширования, а также специализированных технологий сжатия текстур.

Как это работает?

Определение цвета пикселей осуществляется путем наложения на полигоны текстурных изображений, состоящих из пикселей двухмерного изображения - текселей, которые накладываются на 3D-поверхность. Главная дилемма в данном случае заключается в том, какие именно тексели будут определять цвет пикселя на экране. Для того чтобы более глубоко понять особенность, которой отличается фильтрация анизотропная, нужно представить, что ваш экран - это большая плита, на которой находится огромнейшее количество разнообразных отверстий, каждое из которых представляет собой пиксель.

Чтобы определить цвет пикселя на какой-либо трехмерной сцене, которая находится за данной плитой, вполне достаточно просто посмотреть в соответствующее отверстие. Теперь представим, что луч света проходит через него, после чего попадает на наш полигон, и если он будет располагаться параллельно касательно места своего входа, то в таком случае получится круглое световое пятно. Если же нет, то пятно будет несколько искаженным, т. е. будет иметь уже форму эллипса. Именно полигоны, которые располагаются в световом пятне, и будут определять цвет каждого конкретного пикселя.

Зачем она нужна?

Многие считают, что анизотропная фильтрация используется исключительно для того, чтобы обеспечить более качественное изображение, однако на самом деле это просто конечный результат, который обеспечивается далеко не только за счет самой фильтрации.

При формировании образа определенной текстуры программистами задается два уровня фильтрации текстур, которые представляют собой фильтры минимальной и предельной дистанции, определяющие то, какая конкретно функция фильтрации будет использоваться в процессе формирования образа текстуры в том случае, если камера будет отдаляться или же приближаться к нему.

К примеру, можно рассмотреть, когда анизотропная или трилинейная фильтрация используется при сближении, то есть когда каждый тексель начинает иметь большие габариты, и уже покрывает одновременно несколько пикселей. Для того чтобы убрать в данной ситуации ступенчатость, и будет использована фильтрация. При этом нужно отметить, что в такой ситуации данное решение является далеко не оптимальным, так как фильтрация (анизотропная или трилинейная) немного смазывает изображение. Для того чтобы придать более реалистичный вид картинке, потребуется увеличение разрешения самой текстуры.

Что лучше выбрать?

Конечно, у любого пользователя и простого геймера возникает вполне логичный вопрос. Сегодня есть трилинейная и анизотропная фильтрация - какая лучше? На самом деле лучше, конечно же, именно анизотропная технология. Все дело в том, что трилинейная фильтрация не очень правильно рассчитывает цвет каждого отдельного текселя, а если говорить более точно, то вовсе неправильно его рассчитывает, если речь идет о наклонных плоскостях. Применение анизотропной технологии позволяет дополнить использующиеся на данный момент режимы фильтрации, регулируя угол. При этом чем большим будет угол, тем более высоким будут реалистичность и качество, которые способна обеспечить анизотропная фильтрация текстур. Однако в то же время нужно понимать, что потребуется и большее количество мощности карты на обработку данных.

Насколько это помогает?

Вам не следует ожидать того, что в конечном итоге после включения данной функции трехмерная графика сказочно улучшится, скорее на больших углах даже будет получена определенная смазанность, однако в общем результате вы получите более реалистичную картинку. В связи с этим каждый для себя самостоятельно решает, стоит ли ему использовать эту функцию и насколько она будет для него продуктивной.

Так как очень сильного улучшения качества картинки данная функция не обеспечивает, те люди, которые стараются обеспечить максимальную производительность игры на не самых сильных компьютерах, ищут, как отключить анизотропную фильтрацию. Требовательность данной функции является немного несоизмеримой по сравнению с тем, какой результат она обеспечивает, поэтому стоит задуматься о том, чтобы отключить ее в первую очередь.

Point Sampling

Point Sampling на сегодняшний день представляет собой наиболее простой вариант того, как определяется цвет пикселя. Данный алгоритм основывается на текстурном изображении, когда выбирается какой-нибудь единственный тексель, расположенный максимально близко к центру светового пятна. Несложно догадаться, что такой вариант является далеко не самым оптимальным, так как цвет пикселя должен определяться одновременно несколькими текселями, а выбирается в данном случае только один, при этом световое пятно может изменять свою форму, что алгоритм не принимает во внимание.

Главным недостатком, которым отличается такая фильтрация анизотропная, является то, что при достаточно близком расположении к экрану количество пикселей будет значительно увеличиваться по сравнению с количеством текселей, вследствие чего изображение становится далеко не таким интересным. Так называемый эффект блочности многие часто наблюдают в "древних" компьютерных играх.

С появлением 3D-игр стали появляться проблемы, которых в 2D-играх не было: ведь теперь нужно на плоский монитор вывести трехмерную картинку. Если объект находится параллельно плоскости экрана вблизи его - проблем нет: одному пикселю соответствует один тексель (тексель – это пиксель двухмерного изображения, наложенного на 3D-поверхность). А вот что делать, если объект наклонен или находится вдали? Ведь тогда на один пиксель приходится несколько текселей, и поскольку монитор имеет ограниченное количество пикселей, то цвет каждого приходится рассчитывать из нескольких текселей путем определенного процесса - фильтрации.


Для упрощения понимания представим, что каждый пиксель - это квадратная «дырочка» в мониторе, из глаз мы пускаем «лучи света», а тексели расположены на квадратной решетке за монитором. Если мы расположим решетку параллельно монитору сразу за ним, то свет от одного пиксель накроет только один тексель. Теперь мы начнем отодвигать решетку - что мы получим? То, что наше пятно света от пикселя накроет уже больше, чем один тексель. Теперь повернем решетку - получим тоже самое: пятно от одного пикселя накроет множество текселей. Но ведь пиксель-то может иметь один цвет, и если в него попадает много текселей, то нужен алгоритм, с помощью которого мы будем определять его цвет - он называется фильтрацией текстур.

Это самый простой алгоритм фильтрации: он основан на том, что за цвет пикселя мы берем цвет текселя, который находится ближе всего к центру светового пятна от пикселя. Плюс этого метода очевиден - он меньше всего нагружает видеокарту. Минусов тоже полно - цвет одного центрального текселя, может существенно отличаться от цвета десятков и даже сотен других текселей, которые попадают в пятно от пикселя. К тому же сама форма пятна может серьезно меняться, а его центр при этом может остаться на том же месте, и в итоге цвет пикселя не изменится. Ну и самый главный минус - проблема «блочности»: когда на один пиксель приходится мало текселей (то есть объект рядом с игроком), то мы получаем, что при таком способе фильтрации достаточно большая часть изображения заливается одним цветом, что приводит к явно видным «блокам» одного цвета на экране. Итоговое качество картинки получается... просто ужасным:


Так что не удивительно, что сейчас такая фильтрация больше не используется.

С развитием видеокарт стала расти их мощность, так что разработчики игр пошли дальше: если брать за цвет пикселя один тексель, то получается плохо. Окей - а давайте возьмем средний цвет от 4 текселей и назовем это билинейной фильтрацией? С одной стороны, все станет лучше - блочность исчезнет. Зато придет враг номер два - расплывчатость картинки вблизи игрока: это получается из-за того, что для интерполяции требуется больше текселей, чем четыре.

Но главная проблема не в этом: билинейная фильтрация хорошо работает тогда, когда объект параллелен экрану: тогда всегда можно выбрать 4 текселя и получить «средний» цвет. Но вот 99% текстур наклонены по отношению к игроку, и получается, что мы аппроксимируем 4 прямоугольных параллелепипеда (или трапеции) как 4 квадрата, что неверно. И чем сильнее наклонена текстура, чем ниже точность цвета и сильнее размытие:

Окей, сказали разработчики игр - раз 4 текселей мало, возьмем два раза по четыре, и для более точного попадания в цвет будем использовать технологию MIP-текстурирования. Как я уже писал выше - чем дальше от игрока текстура, чем больше текселей будет в пикселе, и тем труднее видеокарте обработать картинку. MIP-текстурирование же подразумевает хранение одной и той же текстур в разных разрешениях: к примеру, если исходный размер текстуры 256х256, то в памяти хранятся ее копии в 128х128, 64х64 и так далее, вплоть до 1х1:


И теперь для фильтрации берется не только сама текстура, но и мипмап: в зависимости от того, дальше или ближе текстура от игрока берется или меньший, или больший мипмап текстуры, и уже на нем берется 4 текселя, ближайшие к центру пикселя, и проводится билинейная фильтрация. Далее берется 4 текселя, ближайших к пикселю, уже исходной текстуры, и опять получается «средний» цвет. После чего берется «средний» цвет уже от средних цветов мипмапа и исходной текстуры, и присваивается пикселю - так и работает алгоритм трилинейной фильтрации. В итоге видеокарту он нагружает несколько больше, чем билинейная фильтрация (нужно обработать еще и мипмап), но и качество картинки оказывается лучше:

Как видно, трилинейная фильтрация серьезно лучше билинейной и уж тем более точечной, но все еще картинка на дальних дистанциях «мылится». И нечеткой картинка получается из-за того, что мы не учитываем то, что текстура может быть наклонена относительно игрока - и именно эту проблему и решает анизотропная фильтрация. Вкратце принцип работы анизотропной фильтрации такой: берется MIP-текстура, установленная поперёк направления обзора, после чего происходит усреднение значений ее цветов с цветом некого количества текселей вдоль направления обзора. Количество текселей варьируется от 16 (для х2 фильтрации) до 128 (для х16). Говоря проще - вместо квадратного фильтра (как в билинейной фильтрации) используется вытянутый, что позволяет более качественно выбрать нужный цвет для экранного пикселя. Так как пикселей на экране может быть миллион и даже больше, а каждый тексель весит не менее 32 бит (32-битный цвет), анизотропная фильтрация требует огромной пропускной способности видеопамяти - десятки гигабайт в секунду. Столь большие требования к памяти уменьшают за счёт сжатия текстур и кэширования, но все еще на видеокартах с DDR-памятью или 64-битной шиной разница между трилинейной и х16 анизотропной фильтрацией может достигать 10-15% fps, но и картинка после такой фильтрации оказывается наилучшей:

Если судить по информации на форумах и из статей в Интернете, то ATi хитрит с трилинейной фильтрацией текстур на новом графическом процессоре X800. Впрочем, находятся и яростно защищающие ATi. Вообще, подобные дискуссии напоминают нам скандал годовалой давности, связанный с nVidia.

Поводом для столь горячего обсуждения стала статья на немецком сайте Computerbase. В ней было показано, как ATi использует оптимизированную трилинейную фильтрацию текстур, часто называемую "брилинейной" (brilinear) из-за смеси билинейной и трилинейной фильтраций, в графических процессорах Radeon 9600 и X800. Новость действительно стала ошеломляющей, ведь ATi всегда твердила о использовании настоящей трилинейной фильтрации.

Но как ситуация выглядит на самом деле? Это - оптимизация, хитрость или просто разумное решение? Чтобы судить, нам необходимо углубиться в технологии различных способов фильтрации. И первая часть статьи будет посвящена именно этому, причём, некоторые технологии мы изложим весьма упрощённо, чтобы уложиться в несколько страниц. Итак, давайте взглянем на базовые и принципиальные функции фильтрации.

Будет ли продолжение? Возможно, поскольку спор по поводу недавно открытой брилинейной фильтрации на картах Radeon 9600 и X800 не утихает. ATi следует отдать должное за то, что качество картинки карт визуально не страдает из-за этой фильтрации. По крайней мере, у нас нет примеров, говорящих об обратном. Пока брилинейная фильтрация проявляет себя при искусственно созданных лабораторных условиях. В то же время, ATi не позволяет включить полную трилинейную фильтрацию для упомянутых карт, будь она адаптивной или нет. Из-за новой фильтрации значения производительности в тестах не демонстрируют всего настоящего потенциала X800, поскольку значения FPS получены после оптимизации, влияние которой на скорость оценить сложно. Да и слово "адаптивная" оставляет горькое послевкусие. ATi не предоставила нам информацию о механизме работы драйвера и много раз заявляла, что карта даёт полную трилинейную фильтрацию. Лишь после упомянутого разоблачения ATi признала, что фильтрация оптимизирована. Будем надеяться, что в других местах драйвера подобной "адаптивности" нет.

Впрочем, производители медленно, но уверенно, двигаются к тому моменту, когда уровень терпимости будет преодолён. "Адаптивность" или определение запускаемого приложения не позволяют тестовым программам показать действительную производительность карты в играх. Качество картинки в игре может отличаться от одного драйвера к другому. Производители могут свободно развлекаться с драйвером, в зависимости от того, какая производительность нужна отделу маркетинга на данный момент. Ну, а право потребителя знать, что он, собственно, покупает, здесь уже никого не интересует. Всё это оставлено средствам массовой информации - пусть они выполняют свою образовательную миссию. И трюки с фильтрацией, которые мы обсудили в нашей статье, являются лишь самыми известными такими случаями. Что ещё скрыто от нашего внимания, остаётся лишь догадываться.

Каждый производитель решает сам, какой уровень качества изображения он будет обеспечивать стандартно. Однако производителям следует документировать используемые оптимизации, особенно если они скрыты от известных тестов, как в свежем примере с ATi. Решение очевидно: дайте возможность выключать оптимизации! Тогда потребитель сможет сам решать, что ему важнее - больше FPS или лучшее качество. На Microsoft, как на третейского судью, рассчитывать тоже не приходится. Тесты WHQL не позволяют определить многие вещи, да и их можно легко обойти: значение слова "адаптивная" вам знакомо?

В целом, подобные дискуссии имеют свои преимущества: покупатели и, возможно, OEM-клиенты начинают прислушиваться к проблеме. Мы не сомневаемся, что мания необузданных оптимизаций будет продолжаться. Однако в тёмном царстве появился луч света, что наглядно продемонстрировала nVidia со своей трилинейной оптимизацией. Будем надеяться и на следующие подобные шаги!

Текстурирование является важнейшим элементом сегодняшних 3D приложений, без него многие трехмерные модели теряют значительную часть своей визуальной привлекательности. Однако процесс нанесения текстур на поверхности не обходится без артефактов и соответствующих методов их подавления. В мире трехмерных игр то и дело встречаются специализированные термины типа "мип-мэппинг", "трилинейная фильтрация" и т.п., которые как раз и относятся к этим методам.

Частным случаем эффекта ступенчатости, рассмотренным ранее, является эффект ступенчатости текстурированных поверхностей, который, к сожалению, нельзя убрать методами мульти- или суперсэмплинга, описанными выше.

Представьте себе черно-белую шахматную доску большого, практически бесконечного размера. Допустим, мы рисуем эту доску на экране и смотрим на нее под небольшим углом. Для достаточно удаленных участков доски размеры клеток неизбежно начнут уменьшаться до размера одного пикселя и меньше. Это так называемое оптическое уменьшение текстуры (minification). Между пикселями текстуры начнется "борьба" за обладание пикселями экрана, что приведет к неприятному мельтешению, что является одной из разновидностей эффекта ступенчатости. Увеличение экранного разрешения (реального или эффективного) помогает только немного, потому что для достаточно удаленных объектов детали текстур все равно становятся меньше пикселей.

С другой стороны, наиболее ближние к нам части доски занимают большую экранную площадь, и можно наблюдать огромные пиксели текстуры. Это называется оптическим увеличением текстуры (magnification). Хотя эта проблема стоит не так остро, для уменьшения негативного эффекта с ней тоже необходимо бороться.

Для решения проблем текстурирования применяется так называемая фильтрация текстур. Если разобраться в процессе рисования трехмерного объекта с наложенной текстурой, можно увидеть, что вычисление цвета пикселя идет как бы "наоборот", - сначала находится пиксель экрана, куда будет спроецирована некоторая точка объекта, а затем для этой точки находятся все пиксели текстуры, попадающие в нее. Выбор пикселей текстуры и их комбинация (усреднение) для получения финального цвета пикселя экрана и называется фильтрацией текстуры.

В процессе текстурирования каждому пикселю экрана ставится в соответствие координата внутри текстуры, причем эта координата не обязательно целочисленная. Более того, пикселю соответствует некоторая область в изображении текстуры, в которую могут попадать несколько пикселей из текстуры. Будем называть эту область образом пикселя в текстуре. Для ближних частей нашей доски пиксель экрана становится значительно меньше пикселя текстуры и как бы находится внутри него (образ содержится внутри пикселя текстуры). Для удаленных, наоборот, в каждый пиксель попадает большое количество точек текстуры (образ содержит в себе несколько точек текстуры). Образ пикселя может иметь различную форму и в общем случае представляет собой произвольный четырехугольник.

Рассмотрим различные методы фильтрации текстур и их вариации.

Ближайший сосед (nearest neighbor)

В этом, наиболее простом, методе в качестве цвета пикселя просто выбирается цвет ближайшего соответствующего пикселя текстуры. Этот метод самый быстрый, но и наименее качественный. По сути, это даже не специальный метод фильтрации, а просто способ выбрать хоть какой-то пиксель текстуры, соответствующий экранному пикселю. Он широко применялся до появления аппаратных ускорителей, вместе с широким распространением которых появилась возможность использовать более качественные методы.

Билинейная фильтрация (bilinear)

Билинейная фильтрация находит четыре пикселя текстуры, ближайшие к текущей точке экрана и результирующий цвет определяется как результат смешения цветов этих пикселей в некоторой пропорции.

Фильтрация методом ближайшего соседа и билинейная фильтрация работают достаточно хорошо когда, во-первых, степень уменьшения текстуры невелика, а во-вторых, когда мы видим текстуру под прямым углом, т.е. фронтально. С чем это связано?

Если рассмотреть, как описывалось выше, "образ" пикселя экрана в текстуре, то для случая сильного уменьшения он будет включать в себя очень много пикселей текстуры (вплоть до всех пикселей!). Кроме того, если мы смотрим на текстуру под углом, этот образ будет сильно вытянут. В обоих случаях описанные методы будут работать плохо, поскольку фильтр не будет "захватывать" соответствующие пиксели текстуры.

Для решения этих проблем применяют так называемый мип-мэппинг и анизотропную фильтрацию.

Мип-мэппинг

При значительном оптическом уменьшении точке экрана может соответствовать достаточно много пикселей текстуры. Это значит, что реализация даже самого хорошего фильтра будет требовать достаточно много времени для усреднения всех точек. Однако проблему можно решить, если создавать и хранить версии текстуры, в которых значения будут усреднены заранее. А на этапе визуализации для пикселя искать нужную версию исходной текстуры и брать значение из нее.

Термин mipmap произошел от латинского multum in parvo - многое в малом. При использовании этой технологии в памяти графического ускорителя в дополнение к изображению текстуры хранится набор ее уменьшенных копий, причем каждая новая ровно в два раза меньше предыдущей. Т.е. для текстуры размером 256x256 дополнительно хранятся изображения 128x128, 64x64 и т.д, вплоть до 1x1.

Далее для каждого пикселя выбирается подходящий уровень мипмапа (чем больше размер "образа" пикселя в текстуре, тем меньший мипмап берется). Далее значения в мипмапе могут усредняться билинейно или методом ближайшего соседа (как описано выше) и дополнительно происходит фильтрация между соседними уровнями мипмапа. Такая фильтрация называется трилинейной. Она дает весьма качественные результаты и широко используется на практике.

Рисунок 9. Уровни мипмапа

Однако проблема с "вытянутым" образом пикселя в текстуре остается. Как раз по этой причине наша доска на большом расстоянии выглядит очень нечеткой.

Анизотропная фильтрация

Анизотропная фильтрация - это процесс фильтрации текстуры, специально учитывающий случай вытянутого образа пикселя в текстуре. Фактически, вместо квадратного фильтра (как в билинейной фильтрации), используется вытянутый, что позволяет более качественно выбрать нужный цвет для экранного пикселя. Такая фильтрация используется вместе с мипмэппингом и дает весьма качественные результаты. Однако, существуют и недостатки: реализация анизотропной фильтрации достаточно сложна и при ее включении скорость рисования значительно падает. Анизотропная фильтрация поддерживается последними поколениями графических процессоров NVidia и ATI. Причем с различным уровнем анизотропии - чем больше этот уровень, чем более "вытянутые" образы пикселей можно корректно обрабатывать и тем лучше качество.

Сравнение фильтраций

Итог следующий: для подавления артефактов алиасинга текстур аппаратно поддерживаются несколько методов фильтрации, различающиеся по своему качеству и скорости работы. Наиболее простой метод фильтрации - метод ближайшего соседа (который фактически не борется с артефактами, а просто заполняет пиксели). Сейчас чаще всего используется билинейная фильтрация вместе с мип-мэппингом или трилинейная фильтрация. В последнее время графические процессоры начали поддерживать наиболее качественный режим фильтрации - анизотропную фильтрацию.

Бамп-мэппинг (Bump mapping)

Бамп-мэппинг (bump mapping) - это тип графических спецэффектов, который призван создавать впечатление "шершавых" или бугристых поверхностей. В последнее время использование бамп-мэппинга стало чуть ли не стандартом игровых приложений.

Основная идея бамп-мэппинга - использование текстур для управления взаимодействием света с поверхностью объекта. Это позволяет добавлять мелкие детали без увеличения количества треугольников. В природе мы различаем мелкие неровности поверхностей по теням: любой бугорок будет с одной стороны светлым, а с другой - темным. Фактически, глаз может и не различать изменения в форме поверхности. Этот эффект и используется в технологии бамп-мэппинга. Одна или несколько дополнительных текстур накладываются на поверхность объекта и используются для вычисления освещенности точек объекта. Т.е. поверхность объекта не меняется вовсе, только создается иллюзия неровностей.

Существует несколько методов бамп-мэппинга, но прежде чем мы перейдем к их рассмотрению, необходимо выяснить, собственно как задать неровности на поверхности. Как уже говорилось выше, для этого используются дополнительные текстуры, причем они могут быть разных видов:

Карта нормалей. В этом случае каждый пиксель дополнительной текстуры хранит вектор, перпендикулярный поверхности (нормаль), закодированный в виде цвета. Нормали используются для вычисления освещенности.

Карта смещений. Карта смещений представляет собой текстуру в градациях серого, в каждом пикселе которой хранится смещение от оригинальной поверхности.

Эти текстуры готовятся дизайнерами трехмерных моделей вместе с геометрией и основными текстурами. Существуют и программы, позволяющие получать карты нормалей или смещений автоматически

Препроцессированный бамп-мэппинг (Pre-calculated bump mapping)

Текстуры, которые будут хранить информацию о поверхности объекта, создаются заранее, до этапа визуализации, путем затемнения некоторых точек текстуры (и, следовательно, самой поверхности) объекта и высветления других. Далее во время рисования используется обычная текстура.

Этот метод не требует никаких алгоритмических ухищрений во время рисования, но, к сожалению, изменений в освещении поверхностей при изменении положений источников света или движения объекта не происходит. А без этого действительно успешной симуляции неровной поверхности не создать. Подобные методы используются для статических частей сцены, часто для архитектуры уровней и т.п

Бамп-мэппинг с помощью тиснения (Emboss bump mapping)

Эта технология применялась на первых графических процессорах (NVidia TNT, TNT2, GeForce). Для объекта создается карта смещений. Рисование происходит в два этапа. На первом этапе карта смещений попиксельно складывается сама с собой. При этом вторая копия сдвигается на небольшое расстояние в направлении источника света. При этом получается следующий эффект: положительные значения разницы определяют освещенные пиксели, отрицательные - пиксели в тени. Эта информация используется для соответствующего изменения цвета пикселей основной текстуры.

Бамп-мэппинг с помощью тиснения не требует аппаратуры, поддерживающей пиксельные шейдеры, однако он плохо работает для относительно крупных неровностей поверхности. Также объекты не всегда выглядят убедительно, это сильно зависит от того, под каким углом смотреть на поверхность.

Пиксельный бамп-мэппинг (Pixel bump mapping)

Пиксельный бамп-мэппинг - на данный момент вершина развития подобных технологий. В этой технологии все вычисляется максимально честно. На вход пиксельному шейдеру дается карта нормалей, из которой берутся значения нормали для каждой точки объекта. Затем значение нормали сравнивается с направлением на источник света и вычисляется значение цвета.

Эта технология поддерживается в аппаратуре начиная с видеокарт уровня GeForce2.

Итак, мы увидели, каким образом можно использовать особенности человеческого восприятия мира для улучшения качества изображений, создаваемый 3D-играми. Счастливые обладатели последнего поколения видеокарт NVidia GeForce, ATI Radeon (впрочем, и не только последнего) могут самостоятельно поиграть с некоторыми их описанных эффектов, благо настройки устранения ступенчатости и анизотропной фильтрации доступны из опций драйверов. Эти и другие методы, оставшиеся за рамками данной статьи, успешно внедряются разработчиками игр в новые продукты. В общем, жизнь становится лучше. То-то еще будет!