Анізотропна фільтрація: для чого потрібна, на що впливає, практичне використання

Технології відображення 3D-об'єктів на екрані моніторів персональних комп'ютерів розвиваються разом з випуском сучасних графічних адаптерів. Отримання ідеальної картинки в тривимірних додатках, максимально наближеною до реального відео, є основним завданням розробників заліза і головною метою для шанувальників комп'ютерних ігор. Допомогти в цьому покликана технологія, реалізована у відеокартах останніх поколінь — анізотропна фільтрація в іграх.

Що це таке?

Кожному комп'ютерному гравцеві хочеться, щоб на екрані розгорталася барвиста картина віртуального світу, щоб, піднявшись на вершину гори, можна було оглядати мальовничі околиці, щоб, натискаючи до відказу кнопку прискорення на клавіатурі, до самого горизонту можна було побачити не тільки пряму трасу гоночного треку, а й повноцінне оточення у вигляді міських пейзажів. Об'єкти, що відображаються на екрані монітора, лише в ідеалі стоять прямо перед користувачем в самому зручному масштабі, насправді переважна більшість тривимірних об'єктів знаходиться під кутом до лінії зору. Більш того, різне віртуальне відстань текстур до точки погляду також вносить корективи в розмір об'єкта і його текстур. Розрахунками відображення тривимірного світу на двовимірний екран і зайняті різні 3D-технології, покликані поліпшити зорове сприйняття, в числі яких не останнє місце займає рисунок фільтрація (анізотропна або трілінейная). Фільтрація такого плану відноситься до числа кращих розробок у цій області.

На пальцях

Щоб зрозуміти, що дає анізотропна фільтрація, потрібно розуміти основні принципи алгоритмів текстурування. Всі об'єкти тривимірного світу складаються з «каркаса» (тривимірної об'ємної моделі предмета) і поверхні (текстури) — двовимірної картинки, «натягнутої» поверх каркаса. Найменша частина текстури — кольоровий тексель, це як пікселі на екрані, в залежності від «щільності» текстури, тексели можуть бути різних розмірів. З різнокольорових текселей складається повна картина будь-якого об'єкта в тривимірному світі.

На екрані текселям протиставлені пікселі, кількість яких обмежено доступним дозволом. Тоді як текселей у віртуальній зоні видимості може бути практично нескінченна безліч, пікселі, виводять картинку користувачеві, мають фіксовану кількість. Так от, перетворенням видимих текселей в кольорові пікселі займається алгоритм обробки тривимірних моделей - фільтрація (анізотропна, білінійна або трілінейная). Детальніше про всіх видах - нижче по порядку, так як вони виходять одна з іншої.

Близький колір

Найпростішим алгоритмом фільтрації є відображення кольору найближчого до точки зору кожного пискеля (Point Sampling). Все просто: промінь зору певної точки на екрані падає на поверхню тривимірного об'єкта, і текстура зображень повертає колір найближчого до точки падіння текселя, відфільтровуючи всі інші. Ідеально підходить для однотонних за кольором поверхонь. При невеликих перепадах кольору теж дає цілком якісну картинку, але досить сумну, бо де ви бачили тривимірні об'єкти одного кольору? Одні тільки шейдери освітлення, тіні, відбиття та інші готові розфарбувати будь-який об'єкт в іграх як новорічну ялинку, що ж говорити про самих текстурах, які іноді являють собою твори образотворчого мистецтва. Навіть сіра бездушна бетонна стіна в сучасних іграх — це вам не просто прямокутник непоказного кольору, це поцяткована шорсткостями, часом тріщинами і подряпинами та іншими художніми елементами поверхню, максимально наближення вид віртуальної стіни до реальних або вигаданих фантазією розробників стін. Загалом, близький колір міг бути використаний в перших тривимірних іграх, зараз же гравці стали набагато вимогливішими до графіку. Що важливо: фільтрація близького кольору практично не вимагає обчислень, тобто дуже економічні в плані ресурсів комп'ютера.

Лінійна фільтрація

Відмінності лінійного алгоритму не є надто суттєвими, замість найближчої точки-текселя лінійна фільтрація використовує відразу 4 і розраховує середній колір між ними. Єдина проблема, що на поверхнях, розташованих під кутом до екрану, промінь зору утворює як би еліпс на текстурі, тоді як лінійна фільтрація використовує ідеальний круг для підбору найближчих текселей незалежно від кута огляду. Використання чотирьох текселей замість одного дозволяє значне поліпшити промальовування віддалених від точки огляду текстур, але все одно недостатньо, щоб коректно відобразити картинку.

Mip-mapping

Ця технологія дозволяє дещо оптимізувати промальовування комп'ютерної графіки. Для кожної текстури створюється певна кількість копій з різним ступенем деталізації, для кожного рівня деталізації вибирається своя картинка, наприклад, для довгого коридору або великої зали ближні підлогу і стіни вимагають максимально можливої деталізації, тоді як далекі кути охоплюють лише кілька пікселів і не вимагають значної деталізації. Ця функція тривимірної графіки допомагає уникнути розмиття далеких текстур, а також спотворення і втрати малюнка, і працює разом з фільтрацією, тому що відеоадаптер при розрахунку фільтрації самостійно не в стані вирішити, які тексели важливі для повноти картини, а які - не дуже.

Білінійна фільтрація

Використовуючи разом лінійну фільтрацію та MIP-текстурування, отримуємо білінійної алгоритм, який дозволяє ще краще відображати віддалені об'єкти і поверхні. Проте все ті ж 4 текселя не дають технології достатньої гнучкості, до того ж білінійна фільтрація не усуває переходи на наступний рівень масштабування, працюючи з кожною частиною текстури окремо, та їх межі можуть бути видні. Таким чином, на великій відстані або під великим кутом текстури сильно розмиваються, роблячи картинку неприродною, як ніби для людей з короткозорістю, плюс для текстур зі складними малюнками помітні лінії стику текстур різного дозволу. Але ми ж за екраном монітора, не потрібна нам короткозорість і різні незрозумілі лінії!

Трілінейная фільтрація

Ця технологія покликана виправити промальовування на лініях зміни масштабу текстур. Тоді як білінійної алгоритм працює з кожним рівнем mip-mapping окремо, трілінейная фільтрація додатково прораховує кордону рівнів деталізації. При всьому цьому зростають вимоги до оперативної пам'яті, а поліпшення картинки на віддалених об'єктах при цьому не дуже відчутно. Само собою, межі між ближніми рівнями масштабування отримують кращу обробку, ніж при білінійної, і більш гармонійно виглядають без різких переходів, що позначається на загальному враженні.

Анізотропна фільтрація

Якщо прораховувати проекцію променя зору кожного екранного пікселя на текстурі згідно куті огляду, вийдуть неправильні фігури — трапеції. Укупі з використанням більшої кількості текселей для розрахунків підсумкового кольори це може дати набагато кращий результат. Що дає анізотропна фільтрація? Враховуючи, що межі кількості використовуваних текселей в теорії немає, такий алгоритм здатний відображати комп'ютерну графіку необмеженого якості на будь-якому віддаленні від точки огляду і під будь-яким кутом, в ідеалі порівнянну з реальним відео. Анізотропна фільтрація по своїм можливостям впирається лише в технічні характеристики графічних адаптерів персональних комп'ютерів, на які розраховані сучасні відеоігри.

Відповідні відеокарти

Режим анізотропної фільтрації був можливий на відеоадаптерах вже з 1999 року, починаючи з відомих карт Riva TNT і Voodoo. Топові комплектації цих карт цілком справлялися з прорахунком трилинейної графіки і навіть видавали нормальні показники FPS з використанням анізотропної фільтрації х2. Остання цифра вказує на якість фільтрації, яке, в свою чергу, залежить від кількості текселей, зайнятих у розрахунку підсумкового кольору пікселя на екрані, в даному випадку використовується цілих 8. Плюс до всього, при розрахунках використовується відповідна куті зору область захоплення цих текселей, а не коло, як у лінійних алгоритмах раніше. Сучасні відеокарти здатні обробляти фільтрацію анізотропним алгоритмом на рівні х16 що означає використання 128 текселей для розрахунків підсумкового кольору пікселя. Це обіцяє значне поліпшення відображення віддалених від точки огляду текстур, а також і серйозну навантаження, але графічні адаптери останніх поколінь забезпечені достатньою кількістю оперативної пам'яті і багатоядерними процесорами, щоб справлятися з цим завданням.

Вплив на FPS

Переваги зрозумілі, але як дорого обійдеться гравцям анізотропна фільтрація? Вплив на продуктивність ігрових відеоадаптерів з серйозною начинкою, випущених не пізніше 2010 року, дуже незначно, що підтверджують тести незалежних експертів у ряді популярних ігор. Анізотропна фільтрація текстур в якості х16 на бюджетних картах показує зниження загального показника FPS на 5-10%, і то за рахунок менш продуктивних компонентів графічного адаптера. Така лояльність сучасного заліза до ресурсномістким обчислень говорить про невпинної турботи виробників про нас, скромних геймерів. Цілком можливо, що не за горами перехід на наступні рівні якості анізотропії, лише б игроделы не підкачали. Звичайно, поліпшення якості картинки бере участь далеко не одна тільки анізотропна фільтрація. Включати чи ні її, вирішувати гравцеві, але щасливим власникам останніх моделей від Nvidia або AMD (ATI) не варто навіть замислюватися над цим питанням - настройка анізотропної фільтрації на максимальний рівень не вплине на продуктивність і додасть реалістичності пейзажам і великим локаціях. Трохи складніша ситуація у господарів вбудованих графічних рішень від компанії Intel, так як в цьому випадку багато залежить від якостей оперативної пам'яті комп'ютера, її тактової частоти і обсягу.

Опції та оптимізація

Управління типом і якістю фільтрації доступно завдяки спеціальним ПО, яке регулює драйвери графічних адаптерів. Також розширена настройка анізотропної фільтрації доступна в ігрових меню. Реалізація великих дозволів і використання декількох моніторів в іграх змусили виробників замислитися про прискорення роботи своїх виробів, у тому числі за рахунок оптимізації анізотропних алгоритмів. Виробники карток в останніх версіях драйверів представили нову технологію під назвою адаптивна анізотропна фільтрація. Що це означає? Ця функція, представлена AMD і частково реалізована в останніх продуктах Nvidia, дозволяє знижувати коефіцієнт фільтрації там, де це можливо. Таким чином, анізотропна фільтрація коефіцієнтом х2 може обробляти ближні текстури, тоді як віддалені об'єкти пройдуть рендеринг по більш складним алгоритмам аж до максимального х16-коефіцієнта. Як зазвичай, оптимізація дає суттєве покращення за рахунок якості, місцями адаптивна технологія схильна до помилок, помітним на ультранастройках деяких останніх тривимірних відеоігор. На що впливає анізотропна фільтрація? Задіяння обчислювальних потужностей відеоадаптерів, порівняно з іншими технологіями фільтрації, набагато вище, що позначається на продуктивності. Втім, проблема швидкодії при використанні цього алгоритму давно вирішена в сучасних графічних чіпах. Разом з іншими тривимірними технологіями анізотропна фільтрація в іграх (що це таке ми вже представляємо) впливає на загальне враження про цілісність картинки, особливо при відображенні віддалених об'єктів і текстур, розташованих під кутом до екрану. Це, мабуть, головне, що потрібно гравцям.

Погляд у майбутнє

Сучасне залізо з середніми характеристиками і вище цілком здатне справитися з вимогами гравців, тому слово про якість тривимірних комп'ютерних світів зараз за розробниками відеоігор. Графічні адаптери останнього покоління підтримують не тільки високі дозволу і такі ресурсомісткі технології обробки зображень, як анізотропна фільтрація текстур, але і VR-технології або підтримку кількох моніторів.