5. 3D акселерация

Устройство 3D акселератора

Итак, самый общий ускоритель состоит из геометрического процессора (Geometry Processor), механизма установки (Setup engine, стадия 7 конвейера) и механизма отрисовки примитивов – закраски (Fill engine, стадии 8 и 9), который при детальном рассмотрении оказывается комбинацией двух блоков – обработки текстур (Texel engine) и обработки буфера кадра (Pixel engine). Производительность ускорителя зависит от процессора, производительности памяти, шины и самих обрабатывающих блоков. Как правило, приводятся два числа – максимальная пропускная способность (треугольников в секунду, triangle throughput) и максимальная производительность закраски (точек в секунду, fill rate). Такой подход возможен, но не очень корректен. Да и все мы знаем, что лучшим тестом является скорость игры, в которую мы любим играть (fps, кадров в секунду на каком-то стандартном наборе действий) и качество изображения (в цифрах не измерить). Именно эти параметры и необходимо узнать в первую очередь в Internet или, может быть, у соседа в подъезде, но не стоит при этом забывать о сильной зависимости числа кадров от объема памяти и мощности процессора компьютера этого самого соседа.

Если не вдаваться в глубокие технические подробности, закраска происходит следующим образом: блок обработки буфера кадра определяет, видна ли закрашиваемая точка, например, с помощью буфера глубин (Z Buffer). Если она видна, блок обработки текстур вычисляет цвет текстуры, соответствующий этой точке примитива. Здесь есть несколько важных моментов – интерполяция (filtering, сглаживание) и выбор уровня текстуры (mip-mapping). Первый обеспечивает изображение без резких прямоугольных пикселей, даже когда вы находитесь вблизи предмета и разрешение текстуры явно недостаточное. Второй устраняет искажения (странные узоры), возникающие при чрезмерном удалении от текстуры, выбирая аналог текстуры с меньшим разрешением. Фактически, существует несколько режимов комбинирования этих двух методов. Сейчас наиболее распространены билинейная фильтрация (bilinear filtering - вначале определяется необходимая для этого расстояния текстура, а затем значение цвета линейно интерполируется между четырьмя соседними точками текстуры, по каждой из координат на поверхности выбранной текстуры) и трилинейная (trilinear - две билинейных для двух текстур, с меньшим и большим разрешениями, затем результат интерполируется между ними). Последняя выглядит более приятно, но и требует больших затрат, так как не реализуется за один такт на современных ускорителях с одним блоком обработки текстур и, в результате, вдвое понижает скорость закраски. Сейчас появились первые ускорители с анизотропной (anisotropic - внутри куба, из двух наборов по 4 соседних точки текстур, итого по 8 точкам) фильтрацией, которая выглядит совсем хорошо, но и занимает еще вдвое больше времени. Затем вычисленный с помощью одного из вышеописанных методов цвет текстуры помещается в буфер кадра, заменяя находившееся там ранее значение, либо комбинируется с ним по какому-либо правилу (combination, blending, alpha-blending). Как минимум, ускоритель должен поддерживать режимы Источник*Приемник (Src*Dest) и Источник+Приемник (Src+Dest). Подобные возможности позволяют реализовать цветное освещение, эффекты типа металла или отражения, реализовывать трилинейную фильтрацию там, где она не поддерживается аппаратно и т.д. (так называемое многопроходное построение изображения, multipass rendering).

Как правило, для каждой точки текстуры, кроме RGB цвета, можно задать степень ее прозрачности (alpha, RGBA формат текстуры), которая будет использоваться ускорителем для регулирования воздействия источника на приемник. Подобным образом закрашиваются, например, полупрозрачные по краям взрывы и ореолы вокруг источников света в Unreal.

Не является жизненно необходимой, но очень ускоряет работу программ, использующих многопроходное построение изображения (например, Quake2 или Unreal), возможность мультитекстурирования (multitexturing). Фактически, это наличие двух (или даже более) блоков обработки текстур, способных одновременно вычислять два цвета по двум текстурам для одной точки примитива, а затем комбинировать их между собою. Подобной возможностью обладает Vоodoo2, RivaTNT и еще несколько пока "недоделанных" чипов.

Важны также точность представления цветов (16 бит – Hi-Color или 32 бита – True-Color, последний гораздо лучше) и точность буфера глубин (Z-Buffer, 16 бит хуже, 24 и 32 лучше), используемого для определения видимости отдельных точек примитива. Ошибки в определении глубины способны приводить к странным эффектам, например, к проглядывающим сквозь постамент ногам статуи в игре Unreal.

И последнее действие блока обработки буфера кадра - наложениие глобальных эффектов на готовую картинку. Например, туман, дымка или темнота (с точки зрения ускорителя это одно и то же), т.е. эффект, известный как fogging. Или используемый в RivaZX метод полноэкранного сглаживания (full screen antialiasing), когда изображение рассчитывается с большим разрешением, чем показывается пользователю, причем соседние точки изображения суммируются, и именно суммарное значение демонстрируется пользователю как одна точка. Подобным образом устраняются резкие границы между полигонами, изображению придается приятный "монолитный" вид. Существует также краевое сглаживание примитивов, приводящее к практически идентичному (чуть хуже) результату (edge antialiasing), но требующее гораздо меньше затрат на построение изображения.