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:

Тесты производительности:

И вот, теперь, когда мы ознакомились с основными понятиями о фильтрации и сглаживании текстур, можно перебираться на практику.

Конфигурация компьютера:
Процессор: Intel Core 2 Quad Q6600 @ 3200MHz (400x8, 1.3125V)
Видеокарта: Palit Nvidia GeForce 8800GT
Материнская плата: Asus P5Q PRO TURBO
Память: 2x2048MB DDR2 Corsair XMS2 @ 1066MHz, 5-5-5-15
Блок питания: Corsair CMPSU-850HXEU 850W
Процессорный кулер: Zalman CNPS9700 LED
ОС: Windows 7 Ultimate x64
Версия видео драйвера: Nvidia 195.62 x64

Главным испытуемым в нашем сегодняшнем тестировании стала очень старая, но не менее знаменитая Counter-Strike:Source, поскольку эта одна из немногих по-настоящему распространенных игр, предоставляющих огромный набор различных настроек сглаживания и фильтрации. Несмотря на древность движка (2004 год), данная игра по-прежнему может неплохо нагрузить даже самую современную платформу. Вот такой богатый ассортимент настроек представлен пользователю:

Тесты сглаживания и фильтрации проводились во встроенном бенчмарке, при разрешении 1280x1024. Все остальные настройки были приняты за максимальные, как на скриншоте сверху. С целью максимально приблизить результат к истине, каждый параметр тестировался трижды, после чего находилось среднее арифметическое получившихся значений.

И так, что же у нас получилось:

Результаты получились достаточно неожиданными. Технология coveragesampling (CSAA), которая по определению должна потреблять меньше ресурсов чем MSAA, здесь показывает совершенно обратную картину. Причин данного явления может быть великое множество. Прежде всего необходимо учитывать, что во многом производительность при включении сглаживания зависит от архитектуры GPU. Да и оптимизация различных технологий самой игры и версия драйвера играют не меньшую роль. Поэтому результаты при использовании других видеокарт, или, даже, другой версии драйвера, могут быть совершенно иными.

Тесты с отключенным сглаживанием (для удобства восприятия отмечены синим цветом) показали примерно равную картину, что свидетельствует о небольшой разнице нагрузок на видеокарту.

Кроме того, проглядывается явное соответствие показателей фпс, при использовании одинакового метода сглаживания, для AF 8x и AF 16x. При этом, разница колеблется в диапазоне от 1 до 4 фпс (за исключением MSAA 8x, где разница составляет 11 фпс). Это говорит о том, что использование фильтрации 16х может быть очень полезным, если необходимо повысить качество картинки, без существенного удара по производительности.

И все же, необходимо оговориться, что получить такие же значения фпс непосредственно в игре попросту нереально, поскольку многие сцены оказываются значительно сложнее, особенно с множеством игроков.

Тесты картинки:

И так, что же мы имеем? Мы узнали о проявлении различных конфигураций настроек на производительность. "Но зачем же все это нужно?" - спросите вы. Для повышения качества отображаемой картинки, отвечу я. А есть ли, вообще, это повышение? Для ответа на этот вопрос предлагаю взглянуть на следующие скришоты:

Как видно, особой разницы в комбинациях "выше" AF 8x / MSAA 8x (CSAA 8x), попросту нет. Но при этом получается ощутимый удар по производительности, особенно при использовании Coverage Sampling AntiAliasing.

Выводы:

Наверняка среди читающих данную статью найдутся игроки Cs:s, HL2 и других игр на основе движка Source. Им эта статья окажется более интересной и познавательной, чем остальным. Однако целью данной писанины было лишь рассказать о современных технологиях, помогающих улучшить зрительное восприятие игр. А тесты - как способ показать на практике изложенную теорию.

Разумеется, для достоверности показаний следовало проводить тесты производительности как на других видеочипах, так и на дополнительных играх.

Как бы то не было, возвращаясь к теме данной статьи, каждый сам выбирает с какими настройками играть. И я не буду давать советов или рекомендаций, поскольку они заранее обречены на провал. Надеюсь, вышеизложенная теория с тестами помогут вам ближе ознакомиться с описанными технологиями.

By Stormcss

Технологии отображения 3D-объектов на экране мониторов персональных компьютеров развиваются вместе с выпуском современных графических адаптеров. Получение идеальной картинки в трёхмерных приложениях, максимально приближённой к реальному видео, является основной задачей разработчиков железа и главной целью для ценителей компьютерных игр. Помочь в этом призвана технология, реализованная в видеокартах последних поколений — анизотропная фильтрация в играх.

Что это такое?

Каждому компьютерному игроку хочется, чтобы на экране разворачивалась красочная картина виртуального мира, чтобы, взобравшись на вершину горы, можно было обозревать живописные окрестности, чтобы, нажимая до отказа кнопку ускорения на клавиатуре, до самого горизонта можно было увидеть не только прямую трассу гоночного трека, а и полноценное окружение в виде городских пейзажей. Объекты, отображаемые на экране монитора, только в идеале стоят прямо перед пользователем в самом удобном масштабе, на самом деле подавляющее большинство трёхмерных объектов находится под углом к линии зрения. Более того, различное виртуальное расстояние текстур до точки взгляда также вносит коррективы в размеры объекта и его текстур. Расчётами отображения трёхмерного мира на двумерный экран и заняты различные 3D-технологии, призванные улучшить зрительное восприятие, в числе которых не последнее место занимает текстурная фильтрация (анизотропная или трилинейная). Фильтрация такого плана относится к числу лучших разработок в этой области.

На пальцах

Чтобы понять, что даёт анизотропная фильтрация, нужно понимать основные принципы алгоритмов текстурирования. Все объёкты трёхмерного мира состоят из «каркаса» (трехмерной объёмной модели предмета) и поверхности (текстуры) — двумерной картинки, «натянутой» поверх каркаса. Малейшая часть текстуры — цветной тексель, это как пиксели на экране, в зависимости от «плотности» текстуры, тексели могут быть разных размеров. Из разноцветных текселей состоит полная картина любого объекта в трёхмерном мире.

На экране текселям противопоставлены пиксели, количество которых ограничено доступным разрешением. Тогда как текселей в виртуальной зоне видимости может быть практически бесконечное множество, пиксели, выводящие картинку пользователю, имеют фиксированное количество. Так вот, преобразованием видимых текселей в цветные пиксели занимается алгоритм обработки трёхмерных моделей - фильтрация (анизотропная, билинейная или трилинейная). Подробнее обо всех видах - ниже по порядку, так как они исходят одна из другой.

Ближний цвет

Самым простым алгоритмом фильтрации является отображение цвета ближайшего к точке зрения каждого пискеля (Point Sampling). Всё просто: луч зрения определённой точки на экране падает на поверхность трёхмерного объекта, и текстура изображений возвращает цвет ближайшего к точке падения текселя, отфильтровывая все остальные. Идеально подходит для однотонных по цвету поверхностей. При небольших перепадах цвета тоже даёт вполне качественную картинку, но довольно унылую, так как где вы видели трёхмерные объекты одного цвета? Одни только шейдеры освещения, теней, отражений и другие готовы раскрасить любой объект в играх как новогоднюю ёлку, что же говорить о самих текстурах, которые порою представляют собой произведения изобразительного искусства. Даже серая бездушная бетонная стена в современных играх — это вам не просто прямоугольник невзрачного цвета, это испещрённая шероховатостями, порою трещинами и царапинами и другими художественными элементами поверхность, максимально приближающая вид виртуальной стены к реальным или выдуманным фантазией разработчиков стенам. В общем, ближний цвет мог быть использован в первых трёхмерных играх, сейчас же игроки стали гораздо требовательнее к графике. Что немаловажно: фильтрация ближнего цвета практически не требует вычислений, то есть очень экономична в плане ресурсов компьютера.

Линейная фильтрация

Отличия линейного алгоритма не слишком существенны, вместо ближайшей точки-текселя линейная фильтрация использует сразу 4 и рассчитывает средний цвет между ними. Единственная проблема, что на поверхностях, расположенных под углом к экрану, луч зрения образует как бы эллипс на текстуре, тогда как линейная фильтрация использует идеальный круг для подбора ближайших текселей независимо от угла обзора. Использование четырёх текселей вместо одного позволяет значительное улучшить прорисовку удалённых от точки обзора текстур, но всё равно недостаточно, чтобы корректно отразить картинку.

Mip-mapping

Эта технология позволяет слегка оптимизировать прорисовку компьютерной графики. Для каждой текстуры создаётся определённое количество копий с разной степенью детализации, для каждого уровня детализации выбирается своя картинка, к примеру, для длинного коридора или обширной залы ближние пол и стены требуют максимально возможной детализации, тогда как дальние углы охватывают всего лишь несколько пикселей и не требуют значительной детализации. Эта функция трёхмерной графики помогает избежать размытия дальних текстур, а также искажения и потери рисунка, и работает вместе с фильтрацией, потому что видеоадаптер при расчёте фильтрации самостоятельно не в состоянии решить, какие тексели важны для полноты картины, а какие - не очень.

Билинейная фильтрация

Используя вместе линейную фильтрацию и MIP-текстурирование, получаем билинейный алгоритм, который позволяет ещё лучше отображать удалённые объекты и поверхности. Однако всё те же 4 текселя не дают технологии достаточной гибкости, к тому же билинейная фильтрация не маскирует переходы на следующий уровень масштабирования, работая с каждой частью текстуры по отдельности, и их границы могут быть видны. Таким образом, на большом удалении или под большим углом текстуры сильно размываются, делая картинку неестественной, как будто для людей с близорукостью, плюс для текстур со сложными рисунками заметны линии стыка текстур разного разрешения. Но мы же за экраном монитора, не нужна нам близорукость и разные непонятные линии!

Трилинейная фильтрация

Эта технология призвана исправить прорисовку на линиях смены масштаба текстур. Тогда как билинейный алгоритм работает с каждым уровнем mip-mapping по отдельности, трилинейная фильтрация дополнительно просчитывает границы уровней детализации. При всём этом растут требования к оперативной памяти, а улучшение картинки на удалённых объектах при этом не слишком ощутимо. Само собой, границы между ближними уровнями масштабирования получают лучшую обработку, нежели при билинейной, и более гармонично смотрятся без резких переходов, что сказывается на общем впечатлении.

Анизотропная фильтрация

Если просчитывать проекцию луча зрения каждого экранного пикселя на текстуре согласно углу обзора, получатся неправильные фигуры — трапеции. Вкупе с использованием большего количества текселей для расчётов итогового цвета это может дать гораздо лучший результат. Что даёт анизотропная фильтрация? Учитывая, что пределов количества используемых текселей в теории нет, такой алгоритм способен отображать компьютерную графику неограниченного качества на любом удалении от точки обзора и под любым углом, в идеале сравнимую с реальным видео. Фильтрация анизотропная по своим возможностям упирается лишь в технические характеристики графических адаптеров персональных компьютеров, на которые и рассчитаны современные видеоигры.

Подходящие видеокарты

Режим анизотропной фильтрации был возможен на пользовательских видеоадаптерах уже с 1999 года, начиная с известных карт Riva TNT и Voodoo. Топовые комплектации этих карт вполне справлялись с просчётом трилинейной графики и даже выдавали сносные показатели FPS с использованием анизотропной фильтрации х2. Последняя цифра указывает на качество фильтрации, которое, в свою очередь, зависит от количества текселей, занятых в расчёте итогового цвета пикселя на экране, в данном случае их используется целых 8. Плюс ко всему, при расчётах используется соответствующая углу зрения область захвата этих текселей, а не круг, как в линейных алгоритмах ранее. Современные видеокарты способны обрабатывать фильтрацию анизотропным алгоритмом на уровне х16, что означает использование 128 текселей для расчётов итогового цвета пикселя. Это сулит значительное улучшение отображения удалённых от точки обзора текстур, а также и серьёзную нагрузку, но графические адаптеры последних поколений снабжены достаточным количеством оперативной памяти и многоядерными процессорами, чтобы справляться с этой задачей.

Влияние на FPS

Преимущества понятны, но как дорого обойдётся игрокам анизотропная фильтрация? Влияние на производительность игровых видеоадаптеров с серьёзной начинкой, выпущенных не позднее 2010 года, очень незначительно, что подтверждают тесты независимых экспертов в ряде популярных игр. Фильтрация текстур анизотропная в качестве х16 на бюджетных картах показывает снижение общего показателя FPS на 5-10%, и то за счёт менее производительных компонентов графического адаптера. Такая лояльность современного железа к ресурсоёмким вычислениям говорит о непрестанной заботе производителей о нас, скромных геймерах. Вполне возможно, что не за горами переход на следующие уровни качества анизотропии, лишь бы игроделы не подкачали.

Конечно, в улучшении качества картинки участвует далеко не одна только анизотропная фильтрация. Включать или нет ее, решать игроку, но счастливым обладателям последних моделей от Nvidia или AMD (ATI) не стоит даже задумываться над этим вопросом - настройка анизотропной фильтрации на максимальный уровень не повлияет на производительность и добавит реалистичности пейзажам и обширным локациям. Немногим сложнее ситуация у хозяев встроенных графических решений от компании Intel, так как в этом случае многое зависит от качеств оперативной памяти компьютера, её тактовой частоты и объёма.

Опции и оптимизация

Управление типом и качеством фильтрации доступно благодаря специальному ПО, регулирующему драйвера графических адаптеров. Также расширенная настройка анизотропной фильтрации доступна в игровых меню. Реализация больших разрешений и использование нескольких мониторов в играх заставили производителей задуматься об ускорении работы своих изделий, в том числе за счёт оптимизации анизотропных алгоритмов. Производители карт в последних версиях драйверов представили новую технологию под названием адаптивная анизотропная фильтрация. Что это значит? Эта функция, представленная AMD и частично реализованная в последних продуктах Nvidia, позволяет снижать коэффициент фильтрации там, где это возможно. Таким образом, фильтрация анизотропная коэффициентом х2 может обрабатывать ближние текстуры, тогда как удалённые объекты пройдут рендеринг по более сложным алгоритмам вплоть до максимального х16-коэффициента. Как обычно, оптимизация даёт существенное улучшение за счёт качества, местами адаптивная технология склонна к ошибкам, заметным на ультранастройках некоторых последних трёхмерных видеоигр.

На что влияет анизотропная фильтрация? Задействование вычислительных мощностей видеоадаптеров, по сравнению с другими технологиями фильтрации, намного выше, что сказывается на производительности. Впрочем, проблема быстродействия при использовании этого алгоритма давно решена в современных графических чипах. Вместе с остальными трёхмерными технологиями анизотропная фильтрация в играх (что это такое мы уже представляем) влияет на общее впечатление о целостности картинки, особенно при отображении удалённых объектов и текстур, расположенных под углом к экрану. Это, очевидно, главное, что требуется игрокам.

Взгляд в будущее

Современное железо со средними характеристиками и выше вполне способно справиться с требованиями игроков, поэтому слово о качестве трёхмерных компьютерных миров сейчас за разработчиками видеоигр. Графические адаптеры последнего поколения поддерживают не только высокие разрешения и такие ресурсоёмкие технологии обработки изображений, как фильтрация текстур анизотропная, но и VR-технологии или поддержку нескольких мониторов.

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!

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.