Анизотропная фильтрация: мини-ликбез для начинающих

Для того чтобы понять, что такое фильтрация, необходимо обладать некоторыми основными знаниями. Мы уже выяснили, что изображение на экране состоит из множества пикселей, количество которых определяется разрешением. Для вывода цветного изображения ваша видеокарта должна определять цвет каждого пикселя. Определяется его цвет посредством наложения текстурных изображений на полигоны, которые расположены в трёхмерном пространстве. Текстурные изображения состоят из пикселей, вернее, текселей, то есть тексель – это пиксель двухмерного изображения, наложенного на 3D-поверхность. Главная дилемма заключается в следующем: какой тексель или тексели определяют цвет пикселя на экране. Для представления проблемы фильтрации давайте представим одну картину. Допустим, что ваш экран – это плита с множеством круглых отверстий, каждое из которых является пикселем. Для того чтобы определить, какой цвет имеет пиксель относительно трёхмерной сцены, расположенной за плитой, достаточно просто посмотреть в одно из отверстий.

А теперь представим луч света, который проходит через одно из отверстий и попадает на наш текстурированный полигон. Если последний расположен параллельно относительно отверстия, через которое проходит световой луч, то световое пятно будет иметь форму окружности. В противном случае, если полигон расположен не параллельно к отверстию, световое пятно искажается и имеет эллиптическую форму. Мы думаем, что многие читатели в это время задаются одним вопросом: «как связаны все эти плиты, отверстие, луч света с проблемой определения цвета пикселя?» Внимание! Ключевая фраза: все полигоны, расположенные в световом пятне, определяют цвет пикселя. Всё вышеизложенное и есть те необходимые базовые знания, которые нужны для того, чтобы понять различные алгоритмы фильтрации.

А теперь, чтобы вы лучше поняли, для чего нужна фильтрация, рассмотрим происходящие процессы на примере легендарной «Quake 3 Arena». Представьте какой какой-нибудь коридор с множеством квадратов и различных орнаментов (благо, в «Quake 3 Arena» этого хватает). Орнамент в начале коридора сильно детализирован, а ближе к концу коридора (горизонту) элементы орнамента становятся всё меньше и меньше, т.е. они отображаются меньшим числом пикселей. В результате теряются детали типа швов между элементами орнамента, что, соответственно, приводит к ухудшению качества изображения.

Проблема заключается в том, что драйвер графической карты не знает, какие детали в текстуре являются важными.

Point Sampling

Point Sampling (поточечная выборка) – самый простой способ определения цвета пикселя. Этот алгоритм основан на текстурном изображении: выбирается всего один тексель, который ближе всех расположен к центру светового пятна, и по нему происходит определение цвета пикселя. Нетрудно догадаться, что это совершенно не верно. Во-первых, цвет пикселя определяется несколькими текселями, а мы выбрали только один. Во-вторых, форма светового пятна может измениться, а алгоритм не принимает это во внимание. А зря!

Главным недостатком поточной выборки является тот факт, что когда полигон расположен близко к экрану, количество пикселей будет значительно выше, чем текселей, из-за чего качество изображения очень сильно пострадает. Так называемый эффект блочности, как мы полагаем, многие могли наблюдать в старых компьютерных играх, например, в том же легендарном «Doom».

У Point Sampling есть преимущество. Из-за того, что определение цвета пикселя осуществляется всего по одному текселю, данный метод не критичен к пропускной способности памяти, а это автоматически даёт данному способу фильтрации колоссальные диведенды в том плане, что на фильтрацию по данной схеме затрачивается очень мало ресурсов 3D-акселератора.

Bi-Linear Filtering

Bi-Linear Filtering – билинейная фильтрация, основанная на методе использования интерполяционной техники. Для определения нужных текселей используется основная форма светового пятна, то есть круг. В нашем примере с кругом последний аппроксимируется 4 текселями. Как видим, здесь дела обстоят несколько лучше, чем с Point Sampling. Билинейная фильтрация использует уже 4 текселя.

Изображение получается более качественным, блочность отсутствует, однако близкие к экрану полигоны выглядят расплывчато, и связано это с тем, что для интерполяции необходимо большее количество текселей, нежели доступные четыре.

Расплывчатость – отнюдь не самая главная проблема билинейной фильтрации. Дело в том, что аппроксимация выполняется корректно лишь для объектов, расположенных параллельно экрану или точке наблюдения, в то время как 99% объектов в любой компьютерной игре расположены непараллельно к точке наблюдения. Отсюда можно сделать вывод, что 99% объектов будут аппроксимироваться неправильно. Возьмём, к примеру, наш круг – полигон расположен непараллельно относительно точки наблюдения, стало быть, мы должны аппроксимировать эллипс, а мы аппроксимируем круг, что крайне неверно. Ко всему прочему билинейная фильтрация значительно требовательней к пропускной полосе данных памяти, что, в общем-то, более чем логично, учитывая то, что билинейная фильтрация использует уже 4 текселя для определения цвета пикселя.

Как видим, билинейная фильтрация выглядит несколько лучше, нежели Point Sampling. И всё же она очень далека от идеала.

Tri-Linear filtering

Tri-Linear filtering – трилинейная фильтрация, представляет собой симбиоз билинейной фильтрации и mip-текстурирования. Прежде чем говорить об алгоритме работы трилинейной фильтрации, давайте выясним, что такое МIP-текстурирование. MIP-текстурирование, или mip-mapping, – это метод уменьшения объёма вычислений, необходимых для точного наложения текстурного изображения на полигон. По сути, мипмеппинг выполняет те же задачи, что и Point Sampling, но делает это на порядок лучше. MIP-текстурирование призвано избавить нас от ухудшений изображений, когда несколько текселей накладываются на один пиксель.

Посмотрим на проблему глобальней и попробуем найти решение всему этому. Для того чтобы правильно вывести пиксель на экран, необходимо скомбинировать значения всех текселей, которые и будут накладываться на этот пиксель. Но пропускная способность памяти не бесконечна, а это огромнейший обьём работы, который неблагоприятно отразится на быстродействии вашей видеокарты. Mip-mapping способствует снижению объёмов этой работы. Метод MIP-текстурирования основан на генерации и хранении множества версий исходного текстурного изображения. Эти версии имеют большое количество разрешений, каждое из которых всё меньше и меньше исходного. Во время текстурирования пикселя вам достаточно выбрать версию текстурного изображения. В вашем распоряжении есть 4 близлежащих текселея из текстурного изображения, больших по размеру, чем пиксель, и столько же текселей, меньших по размеру, чем пиксель. По сути, mip-уровни представляют собой заранее рассчитанные, более маленькие версии исходной текстуры, из-за чего обеспечивается лучшая аппроксимация.

Итак, мы выяснили, что такое mip-mapping, теперь вернёмся к нашей трилинейной фильтрации. Как мы уже говорили, Tri-Linear filtering представляет собой симбиоз билинейной фильтрации и mip-текстурирования. По сути, билинейная фильтрация производится на двух mip-уровнях. А в итоге мы имеем 2 текселя, по одному для каждого mip-уровня. Цвет пикселя определяется при помощи интерполяции по цветам двух mip-текстур.

В итоге имеем несколько лучшее качество фильтрации, нежели у билинейной. Стоит отметить, что качество улучшается незначительно, а требования к ширине полосы пропускания памяти в сравнении с той же Bi-Linear Filtering удваиваются.

Anisotropic filtering

Выше мы уже выяснили, что для получения хороших результатов фильтрации недостаточно определять цвет по нескольким пикселям. Используя всего четыре пикселя для определения цвета, мы получаем искажённую картину, используем недостаточный обьём фильтрации или, выражаясь простым языком, совершаем сверхфильтрацию в одном месте нашего светового пятна и недостаточно фильтруем в другом. Добавьте сюда изменение формы светового пятна и то, что ни один из вышеизложенных алгоритмов фильтрации этого не учитывает.

Вполне очевидно – для того чтобы добиться лучшего качества, необходимо использовать все пиксели светового пятна с усреднённым значением. Существуют техники фильтрации, которые применяют от 16 до 32 текселей для определения цвета пикселя. Мы также должны учитывать тот факт, что форма светового пятна изменяется вместе с изменением положения полигона относительно точки наблюдения. Собственно говоря, этим и предлагает пользоваться анизотропная фильтрация.

Всё это, конечно, хорошо, но использование такого количества пикселей требует огромной пропускной способности памяти, поэтому анизотропная фильтрация более-менее сносно может функционировать лишь на мощных современных видеокартах.

Помимо всего этого, Anisotropic filtering предлагает задействовать разнообразные фильтры для аппроксимации формы светового пятна. Эти фильтры имеют форму эллипса для нескольких возможных углов положения полигона.

В видеорешениях, использующих тайловую (тайл, говоря простым языком, – участок изображения опредёленного размера, как правило, 32х32 пикселя) архитектуру, благодаря применению тайлов, существенно экономятся ресурсы полосы пропускания памяти, что позволяет использовать анизотропную фильтрацию без значимых потерь быстродействия. При помощи анизотропной фильтрации можно получить лучшее качество изображения. Оно достигается за счёт более точного представления текстур и улучшенной глубины детализации.

Уровень анизотропной фильтрации определяется числом текселей, которые обрабатываются при вычислении конечного пикселя. Современные графические решения позволяют выставить уровень фильтрации в драйвере. Самыми распространёнными уровнями фильтрации являются 2x (16 текселей), 4x (32 текселя), 8x (64 текселя) и 16x (128 текселей). Очевидно, что при повышении уровня анизотропной фильтрации нагрузка на полосу пропускания памяти также увеличивается, а это неминуемо сказывается на производительности.