13.7. Фильтрация текстур.
Фильтрация решает задачи определения цвета пикселя на базе имеющихся текселей из текстурного изображения.
Простейший метод наложения текстур называется поточечная выборка (single point-sampling). Суть его в том, что для каждого пикселя, составляющего полигон, выбирается один тексель из текстурного изображения, ближе всех расположенный к центру светового пятна. Совершается ошибка, так как цвет пикселя определяют несколько текселей, а выбран был только один.
Этот метод очень неточен и результатом его применения является появление неровностей. А именно, всякий раз, когда пиксели больше по размеру, чем тексели, наблюдается эффект мерцания. Этот эффект имеет место, если часть полигона достаточно удалена от точки наблюдения, так, что сразу много текселей накладываются на пространство, занимаемое одним пикселем. Заметим, что если полигон расположен очень близко к точке наблюдения и тексели больше по размеру, чем пиксели, наблюдается другой тип ухудшения качества изображения. В данном случае, изображение начинает выглядеть блочным. Этот эффект имеет место, когда текстура может быть достаточно большой, но ограничение в виде доступного разрешения экрана не дает возможности правильно представить исходное изображение.
Второй метод - билинейная фильтрация (Bi-Linear Filtering) состоит в использовании интерполяционной техники. Для определения текселей, которые должны быть задействованы для интерполяции, используется основная форма светового пятна -- круг. По существу, круг аппроксимируется 4 текселями. Билинейная фильтрация - это техника устранения искажений изображения (фильтрация), таких, как "блочности" текстур при их увеличении. При медленном вращении или движении объекта (приближение/удаление) могут быть заметны "перескакивания" пикселов с одного места на другое, т.е. появляется блочность. Во избежании этого эффекта применяют билинейную фильтрацию, при использовании которой для определения цвета каждого пикселя берется взвешенное среднее значение цвета четырех смежных текселей и в результате определяется цвет накладываемой текстуры. Результирующий цвет пикселя определяется после осуществления трех операций смешивания: сначала смешиваются цвета двух пар текселей, а потом смешиваются два полученных цвета.
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), используется неправильная аппроксимация, так как должен аппроксимироваться эллипс.
Ошибки "depth aliasing" возникают в результате того факта, что объекты более отдаленные от точки наблюдения, выглядят более маленькими на экране. Если объект двигается и удаляется от точки наблюдения, текстурное изображение, наложенное на уменьшившийся в размерах объект становится все более и более сжатым. В конечном счете, текстурное изображение, наложенное на объект, становится настолько сжатым, что появляются ошибки визуализации. Эти ошибки визуализации особенно нежелательны в анимации, где такие артефакты во время движения становятся причиной мерцания и эффекта медленного движения в той части изображения, которая должна быть неподвижной и стабильной.
В качестве иллюстрации к описанному эффекту могут служить следующие прямоугольники с билинейным текстурированием:
Рис. 13.29. Закраска объекта методом билинейной фильтрации. Появление артефактов "depth-aliasing", выражающихся в том, что несколько квадратов сливаются в один.
Для избежания ошибок и имитации того факта, что объекты на расстоянии выглядят менее детализированными, чем те, что находятся ближе к точке наблюдения, используется техника, известная как mip-mapping. Если говорить кратко, то mip-mapping - наложение текстур, имеющих разную степень или уровень детализации, когда в зависимости от расстояния до точки наблюдения выбирается текстура с необходимой детализацией.
Mip-текстура (mip-map) состоит из набора заранее отфильтрованных и масштабированных изображений. В изображении, связанном с уровнем mip-map, пиксель представляется в виде среднего четырех пикселей из предыдущего уровня с более высоким разрешением. Отсюда, изображение связанное с каждым уровнем mip-текстуры в четыре раза меньше по размеру предыдущего mip-map уровня.
Рис. 13.30. Изображения, связанные с каждым mip-map уровнем волнообразной текстуры.
Слева направо мы имеем mip-map уровни 0, 1, 2 и т.д. Чем меньше становится изображение, тем больше теряется деталей, вплоть до приближения к концу, когда не видно ничего, кроме расплывающегося пятна из серых пикселей.
Степень или уровень детализации - Level of Detail или просто LOD, используются для определения, какой mip-map уровень (или какую степень детализации) следует выбрать для наложения текстуры на объект. LOD должен соответствовать числу текселей накладываемых на пиксель. Например, если текстурирование происходит с соотношением близким к 1:1, то LOD будет 0, а значит и будет использоваться mip-map уровень с самым высоким разрешением. Если 4 текселя накладываются на один пиксель, то LOD будет 1 и будет использоваться следующий mip уровень с меньшим разрешением. Обычно, при удалении от точки наблюдения, объект, заслуживающий наибольшего внимания имеет более высокое значение LOD.
В то время, как mip-текстурирование решает проблему ошибок "depth-aliasing", его использование может стать причиной появления других артефактов. При удалении объекта все дальше от точки наблюдения, происходит переход от низкого mip-map уровня к высокому. В момент нахождения объекта в переходном состоянии от одного mip-map уровня к другому, появляется особый тип ошибок визуализации, известных под названием "mip-banding" - полосатость или слоеность, т.е. явно различимые границы перехода от одного mip-map уровня к другому.
Рис. 13.31. Прямоугольная лента состоит из двух треугольников, текстурированных волнообразным изображением, где "mip-banding" артефакты обозначены красными стрелками.
Особенно остро проблема наличия ошибок "mip-banding" стоит в анимации, за счет того, что человеческий глаз очень чувствителен к смещениям и может легко заметить место резкого перехода между уровнями фильтрации при движении вокруг объекта.
Трилинейная фильтрация (trilinear filtering) представляет собой третий метод, который удаляет артефакты "mip-banding", возникающие при использовании mip-текстурирования. При трилинейной фильтрации для определения цвета пикселя берется среднее значение цвета восьми текселей, по четыре из двух соседних текстур и в результате семи операций смешивания определяется цвет пикселя. При использовании трилинейной фильтрации возможен вывод на экран текстурированного объекта с плавно выполненными переходами от одного mip уровня к следующему, что достигается за счет определения LOD путем интерполяции двух соседних mip-map уровней. Таким образом решая большинство проблем, связанных с mip-текстурированием и ошибками из-за неправильного расчета глубины сцены ("depth aliasing").
Рис.
13.32. Пирамидальность MIP-map
Пример использования трилинейной фильтрации приведен ниже. Здесь опять используется все тот же прямоугольник, текстурированный волнообразным изображением, но с плавными переходами от одного mip уровня к следующему за счет использования трилинейной фильтрации. Обратите внимание на отсутствие каких-либо заметных ошибок визуализации.
Рис. 13.33. Прямоугольник, текстурированный волнообразным изображением, выведен на экран с использованием mip-текстурирования и трилинейной фильтрации.
Существует несколько способов генерации MIP текстур. Один из них - просто подготовить их заранее, используя графические пакеты типа Adobe PhotoShop. Другой способ - генерация MIP текстур на "лету", т.е. в процессе выполнения программы. Заранее подготовленные MIP текстуры означают дополнительные 30% дискового пространства для текстур в базовой поставке инсталляции игры, но позволяют применять более гибкие методы управления их созданием и позволяют добавлять различные эффекты и дополнительные детали различным MIP уровням.
Получается, что трилинейный мипмеппинг это лучшее, что может быть?
Нет конечно. Видно, что проблема не только в соотношении размеров пикселя и текселя, но также и в форме каждого из них (или, что бы быть более точными, в соотношениях форм).
Метод mip-текстурирования лучше всего работает для полигонов расположенных прямо "лицом к лицу" к точке наблюдения. Однако, полигоны, косонаправленные по отношению к точке наблюдения искривляют накладываемую текстуру так, что на пикселы могут накладываться различного вида и квадратичные по форме области текстурного изображения. Метод mip-текстурирования не принимает это во внимание и в результате наблюдается эффект слишком сильного размытия текстурного изображения, так, будто использованы неправильно выбранные тексели. Для решения этой проблемы нужно делать выборку из большего количества текселей, составляющих текстуру, и выбирать эти тексели следует принимая во внимание "отображенную" форму пикселя в текстурном пространстве. Этот метод называется анизотропная фильтрация ("anisotropic filtering"). Обычное mip-текстурирование называется "isotropic" (изотропное или однородное), потому что мы всегда фильтруем вместе квадратные области, состоящие из текселей. Анизотропная фильтрация означает, что форма области из текселей, которую мы используем меняется в зависимости от обстоятельств.