Анизотропная фильтрация в играх что это

Анизотропная фильтрация в играх что это

Фильтрация анизотропная: для чего нужна, на что влияет, практическое использование

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.

Анизотропная фильтрация

Фильтрация текстур: основная идея

Чтобы понять разницу между различными алгоритмами фильтрации нужно сначала понять, что пытается сделать фильтрация. Ваш экран имеет определенное разрешение и состоит из того, что называется пикселями. Разрешение определяется количеством пикселей. Ваша 3D плата должна определить цвет каждого из этих пикселей. Основой для определения цвета пикселей служат текстурные изображения, которые накладываются на полигоны, расположенные в трехмерном пространстве. Текстурные изображения состоят из пикселей, называемых текселями. По сути, эти тексели являются пикселями 2D изображения, которые наложены на 3D поверхность. Главный вопрос таков: какой тексель (или какие тексели) определяет цвет пикселя на экране?

Представьте себе следующую проблему: предположим, что ваш экран это плита с большим количеством отверстий (давайте исходить из предположения, что пиксели имеют круглую форму). Каждое отверстие это пиксель. Если вы посмотрите через отверстие, вы увидите какой цвет оно имеет, соотносительно трехмерной сцены, раполагающейся за плитой. Теперь представьте себе световой луч, проходящий через одно из этих отверстий и попадающий на текстурированный полигон, расположенный за ним. Если полигон расположен параллельно экрану (т.е. нашей воображаемой плите с отверстиями), тогда световой луч попав на него образует круглое световой пятно (см. рис. 1). Теперь, вновь подключив воображение, заставим полигон вращаться вокруг своей оси и самые простые познания подскажут вам, что форма светового пятна изменится, и вместо круглой станет эллиптической (см. рис. 2 и 3). Вы, вероятно, желаете знать, какое отношение имеет это пятно света к проблеме определения цвета пикселя. Элементарно, все полигоны, расположенные в этом пятне света определяют цвет пикселя. Все, что мы тут обсудили и есть основные знания, которые необходимо знать для того, что бы понять различные алгоритмы фильтрации.

Посмотреть на различные формы светового пятна можно на следующих примерах:

1. Point Sampling

Point Sampling — поточечная выборка. Это самый простой способ определения цвета пикселя на основе текстурного изображения. Вам нужно всего лишь выбрать тексель, ближе всех расположенный к центру светового пятна. Разумеется, вы совершаете ошибку, так как цвет пикселя определяют несколько текселей, а вы выбрали только один. Вы так же не принимаете во внимание тот факт, что форма светового пятна может измениться.

Главный преимущество такого метода фильтрации — это низкие требования к ширине полосы пропускания памяти, т.к. для определения цвета пикселя вам нужно выбрать всего лишь один тексель из текстурной памяти.

Главный недостаток — это тот факт, что когда полигон расположен ближе к экрану (или точке наблюдения) количество пикселей будет больше, чем количество текселей, следствием чего станет блочность и общее ухудшение качества изображений.

Однако, главная цель применения фильтрации это не улучшение качества при сокращении расстояния от точки наблюдения до полигона, а избавление от эффекта неправильного расчета глубины сцены (depth aliasing).

2. Bi-Linear Filtering

Bi-Linear Filtering — билинейная фильтрация. Состоит в использовании интерполяционной техники. Иными словами, применительно к нашему примеру, для определения текселей, которые должны быть задействованы для интерполяции, используется основная форма светового пятна — круг. По существу, круг аппроксимируется 4 текселями. Этот способ фильтрации представляет собой существенно лучше поточечной выборки (point sampling), так как отчасти принимается во внимание форма светового пятна и используется интерполяция. Это означает, что если полигон приближается слишком близко к экрану или точке наблюдения, то для интерполяции потребуется больше текселей, чем в действительности доступно. В результате получается прекрасно выглядящее расплывчатое изображение, впрочем это лишь побочный эффект.

Читать еще:  Не открывается медиа гет что делать

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), значит вы используете неправильную аппроксимацию. Неправильность заключается в том, что вы используете аппроксимацию круга, в то время, как должны аппроксимировать эллипс. Главная проблема в том, что при билинейной фильтрации требуется считывать по 4 текселя из текстурной памяти для определения цвета каждого выводимого на экран пикселя, а значит требования к ширине полосы пропускания памяти увеличиваются в четыре раза, по сравнению с поточечной фильтрацией.

3. Tri-Linear filtering

Tri-Linear filtering — трилинейная фильтрация, представляет собой симбиоз mip-текстурирования и билинейной фильтрации. Фактически, вы производите билинейную фильтрацию на двух mip уровнях, что в результате дает вам 2 текселя, по одному для каждого mip уровня. Цвет пикселя, который должен быть выведен на экран, определяется в результате интерполяции по цветам двух mip-текстур. По сути, mip уровни представляют собой заранее рассчитанные более маленькие версии исходной текстуры, а это означает, что мы получаем более хорошую аппроксимацию текселей, расположенных в пятне света.

Эта техника обеспечивает лучшую фильтрацию, но имеет лишь небольшие преимущества перед билинейной фильтрацией. Требования к ширине полосы пропускания памяти удваиваются, по сравнению с билинейной фильтрацией, так как вам необходимо считать 8 текселей из текстурной памяти. Использование мипмеппинга обеспечивает лучшую аппроксимацию (используется большее число текселей, расположенных в световом пятне) по всем текселям в световом пятне, благодаря использованию заранее рассчитанных mip-текстур.

4. Anisotropic filtering

Anisotropic filtering — анизотропная фильтрация. Итак, чтобы получить действительно хорошие результаты, вы должны помнить, что все тексели в световом пятне определяют цвет пикселя. Вы так же должны помнить, что форма светового пятна изменяется вместе с изменением положения полигона относительно точки наблюдения. До этого момента мы использовали лишь 4 текселя вместо всех текселей, покрываемых световым пятном. Это означает, что все эти техники фильтрации дают искаженный результат, когда полигон расположен дальше от экрана или от точки наблюдения, т.к. вы не используете достаточный объем информации. На самом деле вы осуществляете сверх меры фильтрацию в одном направлении, и совершенно недостаточно фильтруете во всех остальных. Единственным преимуществом у всех описанных выше фильтраций является тот факт, что при приближении к точке наблюдения, изображение выглядит менее блочным (хотя это всего лишь побочный эффект). Таким образом, чтобы добиться наилучшего качества, мы должны использовать все тексели, покрываемые световым пятном и усреднять их значение. Однако, это серьезно ударяет по пропускной способности памяти — ее попросту может не хватить, и выполнить такую выборку с усреднением нетривиальная задача.

Вы можете использовать разнообразные фильтры для аппроксимации формы светового пятна в виде эллипса для нескольких возможных углов положения полигона относительно точки зрения. Существуют техники фильтрации, которые используют от 16 до 32 текселей из текстуры для определения цвета пикселя. Правда использование подобной техники фильтрации требует существенно большей ширины полосы пропускания памяти, а это почти всегда невозможно в существующих системах визуализации без применения дорогостоящих архитектур памяти. В системах визуализации, использующих тайлы 1 существенно экономятся ресурсы полосы пропускания памяти, что позволяет использовать анизотропную фильтрацию. Визуализация с применением анизотропной фильтрации обеспечивает лучшее качество изображения, за счет лучшей глубины детализации и более точного представления текстур, наложенных на полигоны, которые расположены не параллельно экрану или точке наблюдения.

1 Tile (тайл) — плитка или фрагмент изображения. Фактически тайл представляет собой участок изображения, обычно с размером 32 на 32 пикселя; по этим участкам осуществляется сортировка с целью определения, какие полигоны, попадающий в этот тайл являются видимыми. Тайловая техника реализована в чипсетах VideoLogic/NEC.

Дополнительную информацию по данной теме можно прочитать здесь и здесь.

Настройки в играх: с чувством, с толком, с расстановкой

В связи с многократными вопросами и спорами, связанными с FPS в тестах для видеокарт, представленными на нашем сайте, мы решили более детально остановиться на этом вопросе и рассказать вам про настройки игр.

Все знают, что в современных играх достаточно настроек графики для улучшения качества картинки или повышения производительности в самой игре. Рассмотрим основные настройки, которые присутствуют практически во всех играх.

Разрешение экрана

Пожалуй, этот параметр является одним из главных, влияющих как на качество картинки, так и на производительность игры. Данный параметр зависит исключительно от матрицы ноутбука, и поддержки данного разрешения игрой (от 640х480 до 1920х1080). Тут все просто и пропорционально, чем больше разрешение, тем четче картинка и больше нагрузка на систему, и, соответственно, наоборот.

Качество графики

Практически в каждой игре есть свои стандартные настройки графики, которые вы можете использовать. Обычно это «низкие»», «средние», «высокие» и в некоторых играх присутствует графа «ультра». В эти установки уже изначально заложен набор настроек (качество текстур, сглаживание, анизотропная фильтрация, тени… и многие другие) и пользователь может выбрать профиль, который лучше всего подходит под его конфигурацию ПК. Думаю тут все понятно, чем лучше настройка графики, тем реалистичнее смотрится игра, и, конечно же, возрастают требования к устройству. Ниже вы можете посмотреть видео, и сравнить качество картинки во всех профилях.

Качество текстур

Данная настройка отвечает за разрешение текстур в игре. Чем выше разрешение текстур, тем более четкую и детализированную картинку вы видите, соответственно и нагрузка на GPU будет больше.

Качество теней

Эта настройка регулирует детализацию теней. В некоторых играх тени можно вообще отключить, что даст существенный прирост производительности, но картинка не будет такой насыщенной. На высоких настройках тени будут более реалистичные и мягкие.

Качество эффектов

Данный параметр влияет на качество и интенсивность эффектов, таких как дым, взрывы, выстрелы, пыль и многие другие. В разных играх данная настройка влияет по-разному, в некоторых разницу между низкими и высокими настройками очень тяжело заметить, а в некоторых отличия очевидны. Влияние данного параметра на производительность зависит от оптимизации эффектов в игре.

Качество окружающей среды

Параметр, отвечающий за геометрическую сложность каркасов в объектах окружающего игрового мира, а также их детализацию (особенно заметна разница на дальних объектах). На низких настройках возможны потери детализации объектов (домов, деревьев, машин и т.д.). Удаленные объекты становятся практически плоским, округлые формы получаются не совсем круглыми, при этом практически каждый объект лишается каких-то мелких деталей.

Покрытие ландшафта

В некоторых играх указывается как «Плотность травы» либо носит другие подобные названия. Отвечает за количество травы, кустов, веток, камней и прочего мусора находящегося на земле. Соответственно чем выше параметр, тем более насыщенной разными объектами выглядит земля.

Анизотропная фильтрация

Когда текстура отображается не в своем исходном размере, в нее вставляются дополнительные или убираются лишние пиксели. Для этого и применяется фильтрация. Существует три вида фильтраций: билинейная, трилинейная и анизотропная. Самой простой и наименее требовательной является билинейная фильтрация, но и результат от нее наихудший. Трилинейная фильтрация тоже не даст вам хороших результатов, хоть она и добавляет четкости, но также генерирует артефакты.

Самой лучшей фильтрацией является анизотропная, которая заметно устраняет искажения на текстурах сильно наклоненных относительно камеры. Для современных видеокарт, данный параметр практически не влияет на производительность, но существенно улучшает четкость и естественный вид текстуры.

Сглаживание

Принцип работы сглаживания таков: до вывода картинки на экран она рассчитывается не в родном разрешение, а в двукратном увеличении. Во время вывода картинка уменьшается до нужных размеров, причем неровности по краям объекта становятся менее заметными. Чем больше исходное изображение и коэффициент сглаживания (x2, x4, x8, x16), тем меньше неровностей будет заметно на объектах. Собственно само сглаживание нужно для того чтобы максимально избавится от «лестничного эффекта» (зубцов по краям текстуры).

Существуют разные виды сглаживания, чаще всего в играх встречаются FSAA и MSAA. Полноэкранное сглаживание (FSAA) используется для устранения «зубцов» на полноэкранных изображениях. Минус данного сглаживания заключается в обработке всей картинки целиком, что конечно значительно улучшает качество изображения, но требует большой вычислительной мощности графического процессора.

Multisample anti-aliasing (MSAA), в отличие от FSAA, сглаживает только края объектов, что приводит к небольшому ухудшению графики, но при этом экономит огромную часть вычислительной мощи. Так что если вы не обладаете топовой игровой видеокартой, лучше всего использовать MSAA.

SSAO (Screen Space Ambient Occlusion)

В переводе на русский означает «преграждение окружающего света в экранном пространстве». Является имитацией глобального освещения. Увеличивает реалистичность картинки, создавая более «живое» освещение. Дает нагрузку только на GPU. Данная опция значительно уменьшает количество FPS на слабых графических адаптерах.

Размытие в движение

Также известно как Motion Blur. Это эффект, смазывающий изображение при быстром передвижении камеры. Придает сцене больше динамики и скорости (часто используется в гонках). Увеличивает нагрузку на GPU, тем самым уменьшает количество FPS.

Глубина резкости (Depth of field)

Эффект для создания иллюзии присутствия за счет размытия объектов в зависимости от их положения относительно фокуса. Например, разговаривая с определенным персонажем в игре, вы видите его четко, а задний фон размыто. Такой же эффект можно наблюдать если сконцентрировать взгляд на предмете расположенном вблизи, более дальние объекты будут размыты.

Вертикальная синхронизация (V-Sync)

Синхронизирует частоту кадров в игре с частотой вертикальной развертки монитора. При включенной V-Sync, максимальное количество FPS равно частоте обновления монитора. Если же количество кадров в игре у вас ниже, чем частота развертки монитора, стоит включить тройную буферизацию, при которой кадры подготавливаются заранее, и хранятся в трех раздельных буферах. Преимущество вертикальной синхронизации состоит в том, что она позволяет избавиться от нежелательных рывков, при резких скачках FPS.

Не обошлось и без недостатков, например в новых требовательных играх возможно сильное падение производительности. Также в динамических шутерах или онлайн играх, V-Sync может только навредить.

Заключение

Выше изложены основные, но далеко не все настройки в играх. Стоит напомнить, что каждая игра имеет свой уровень оптимизации, и свой ряд настроек. В некоторых случаях игры с лучшей графикой будут идти на вашем ноутбуке быстрее, чем неоптимизированные игры с более низкими требованиями. Большинство игр позволяет использовать как уже готовые настройки, так и задавать вручную каждый отдельно взятый параметр. Часть из рассмотренных выше эффектов поддерживается только в новых DirectX 11 играх, а в более старых с поддержкой DirectX 9 их просто нет.

Желаем вам приятного времяпровождения и незабываемых ощущений в играх.

Графические настройки в компьютерных играх — подробный разбор

На сайте PC Gamer появился интересный разбор графических настроек в компьютерных играх, где подробно рассказано обо всех популярных инструментах, фильтрах и механизмах обработки изображения. Мы перевели его на русский язык, чтобы вы могли сами настраивать свои игры, избавляться от лагов и любоваться красивой графикой.

Итак, сегодня мы с вами разберемся, что означают те или иные графические настройки в компьютерных играх.

У Nvidia и AMD есть программное обеспечение для автоматической настройки графики согласно техническим характеристикам вашего компьютера. Со своей задачей программы справляются неплохо, но часто ручная настройка приносит куда больше пользы. Все-таки, мы ПК-бояре, у нас должна быть свобода выбора!

Если вы новичок в области игровой графики, это руководство создано специально для вас. Мы расшифруем основные пункты любого меню «Настройки графики» в ваших играх и объясним, на что они влияют. Эта информация поможет вам избавиться от лагов и фризов в любимой игре, не лишаясь красивой картинки. А владельцы мощных компьютеров поймут, как настроить самую сочную и привлекательную графику, чтобы записывать крутые видео и делать зрелищные скриншоты.

Начнем с фундаментальных понятий, а затем пройдемся по тонким настройкам в рамках нескольких разделов, посвященных анизотропной фильтрации, сглаживанию и постобработке. Для написания этого гайда мы пользовались информацией, полученной от профессионалов: Алекса Остина, дизайнера и программиста Cryptic Sea, Николаса Вайнинга, технического директора и ведущего программиста Gaslamp Games и от представителей Nvidia. Сразу отметим, что статью мы пишем простыми словами, опуская подробные технические детали, чтобы вам было легче понять механизмы работы разных технологий.

Содержание

Разрешение

Пиксель — основная единица цифрового изображения. Это цветовая точка, а разрешение — количество столбцов и рядов точек на вашем мониторе. Самые распространенные разрешения на сегодня: 1280×720 (720p), 1920×1080 (1080p), 2560×1440 (1440p) и 3840 x 2160 (4K или «Ultra-HD»). Но это для дисплеев формата 16:9. Если у вас соотношение сторон 16:10, разрешения будут слегка отличаться: 1920×1200, 2560×1600 и т.д. У ультрашироких мониторов разрешение тоже другое: 2560×1080, 3440×1440 и т.д.

Кадры в секунду (frames per second, FPS)

Если представить, что игра — это анимационный ролик, то FPS будет числом изображений, показанных за секунду. Это не то же самое, что частота обновления дисплея, измеряемая в герцах. Но эти два параметра легко сравнивать, ведь как монитор на 60 Гц обновляется 60 раз за секунду, так и игра при 60 FPS выдает именно столько кадров за тот же отрезок времени.

Читать еще:  Компьютер не видит SSD диск что делать

Чем сильнее вы загрузите видеокарту обработкой красивых, наполненных деталями игровых сцен, тем ниже будет ваш FPS. Если частота кадров окажется низкой, они будут повторяться и получится эффект подтормаживания и подвисания. Киберспортсмены охотятся за максимальном возможными показателями FPS, особенно в шутерах. А обычные пользователи зачастую довольствуются играбельными показателями — это где-то 60 кадров в секунду. Однако, мониторы на 120-144 Гц становятся более доступными, поэтому потребность в FPS тоже растет. Нет смысла играть на 120 герцах, если система тянет всего 60-70 кадров.

Так как в большинстве игр нет встроенного бенчмарка, для измерения кадров в секунду используется стороннее программное обеспечение, например, ShadowPlay или FRAPS. Однако, некоторые новые игры с DX12 и Vulkan могут некорректно работать с этими программами, чего не наблюдалось со старыми играми на DX11.

Апскейлинг и даунсэмплинг

В некоторых играх есть настройка «разрешение рендеринга» или «rendering resolution» — этот параметр позволяет поддерживать постоянное разрешение экрана, при этом настраивая разрешение, при котором воспроизводится игра. Если разрешение рендеринга игры ниже разрешения экрана, оно будет увеличено до масштабов разрешения экрана (апскейлинг). При этом картинка получится ужасной, ведь она растянется в несколько раз. С другой стороны, если визуализировать игру с большим разрешением экрана (такая опция есть, например, в Shadow of Mordor), она будет выглядеть намного лучше, но производительность станет заметно ниже (даунсэмплинг).

Производительность

На производительность больше всего влияет разрешение, поскольку оно определяет количество обрабатываемых графическим процессором пикселей. Вот почему консольные игры с разрешением 1080p, часто используют апскейлинг, чтобы воспроизводить крутые спецэффекты, сохраняя плавную частоту кадров.

Мы использовали наш Large Pixel Collider (суперкомпьютер от сайта PC Gamer), включив две из четырех доступных видеокарт GTX Titan, чтобы продемонстрировать, как сильно разрешение влияет на производительность.

Тесты проводились в бенчмарке Shadow of Mordor:

1980х720 (½ родного разрешения)

2560х1440 (родное разрешение)

5120х2880 (x2 родного разрешения)

Вертикальная синхронизация и разрывы кадров

Когда цикл обновления дисплея не синхронизирован с циклом рендеринга игры, экран может обновляться в процессе переключения между готовыми кадрами. Получается эффект разрыва кадров, когда мы видим части двух или более кадров одновременно.

Одним из решений этой проблемы стала вертикальная синхронизация, которая почти всегда присутствует в настройках графики. Она не позволяет игре показывать кадр, пока дисплей не завершит цикл обновления. Это вызывает другую проблему — задержка вывода кадров, когда игра способна показать большее количество FPS, но ограничена герцовкой монитора (например, вы могли бы иметь 80 или даже 100 кадров, но монитор позволит показывать только 60).

Адаптивная вертикальная синхронизация

Бывает и так, что частота кадров игры падает ниже частоты обновления монитора. Если частота кадров игры превышена, вертикальная синхронизация привязывает ее к частоте обновления монитора и она, например, на дисплее с 60 Гц не превысит 60 кадров. А вот когда частота кадров падает ниже частоты обновления монитора, вертикальная синхронизация привязывает ее к другому синхронизированному значению, например, 30 FPS. Если частота кадров постоянно колеблется выше и ниже частоты обновления, появляются подтормаживания.

Чтобы решить эту проблему, адаптивная вертикальная синхронизация от Nvidia отключает синхронизацию каждый раз, когда частота кадров падает ниже частоты обновления. Эту функцию можно включить в панели управления Nvidia — она обязательна для тех, кто постоянно включает вертикальную синхронизацию.

Технологии G-sync и FreeSync

Новые технологии помогают разобраться со многими проблемами, которые зачастую основаны на том, что у дисплеев фиксированная частота обновления. Но если частоту дисплея можно было бы изменять в зависимости от FPS, пропали бы разрывы кадров и подтормаживания. Такие технологии уже есть, но для них нужны совместимые видеокарта и дисплей. У Nvidia есть технология G-sync, а у AMD — FreeSync. Если ваш монитор поддерживает одну из них и она подходит к установленной видеокарте, проблемы решены.

Сглаживание (Anti-aliasing, антиалиасинг)

Инструментов для этого достаточно, но легче объяснить на примере суперсэмплинга (SSAA). Эта технология отрисовывает кадры с более высоким разрешением, чем у экрана, а затем сжимает их обратно до его размера. На предыдущей странице вы могли видеть эффект от сглаживания при уменьшении частоты в Shadow of Mordor с 5120х2880 до 1440p.

Взгляните на пиксель черепичной крыши. Он оранжевого цвета. Тут же и пиксель голубоватого неба. Находясь рядом, они создают жесткий зубчатый переход от крыши к небу. Но если визуализировать сцену с четырехкратным разрешением, вместо одного пикселя оранжевой крыши на этом же месте будут четыре пикселя. Некоторые из них будут оранжевыми, некоторые «небесными». Стоит взять значение всех четырех пикселей, как получится нечто среднее — если по такому принципу построить всю сцену, переходы станут мягче и «эффект лестницы» пропадет.

Такова суть технологии. Но, она требует от системы очень много ресурсов. Ей приходится отрисовывать каждый кадр с разрешением в два или более раз больше, чем оригинальное разрешение экрана. Даже в случае с нашими топовыми видеокартами суперсэмплинг с разрешением 2560х1440 кажется нецелесообразным. К счастью, есть альтернативы:

Мультисэмплинг (MSAA): Эффективнее суперсэмплинга, но все еще прожорлив. В старых играх он был стандартом, а его суть объясняется в видео, которое вы увидите ниже.

Усовершенствованный мультисэмплинг (CSAA): более эффективная версия MSAA от Nvidia для ее видеокарт.

Усовершенствованный мультисэмплинг (CFAA): тоже апгрейд MSAA, только от компании AMD для ее карточек.

Метод быстрого приближения (FXAA): вместо анализа каждого отдельного пикселя, FXAA накладывается в качестве фильтра постобработки на всю сцену целиком после ее рендеринга. FXAA также захватывает места, которые пропускаются при включении MSAA. Хотя сам метод быстрого приближения тоже пропускает много неровностей.

Морфологический метод (MLAA): он свойственен видеокартам AMD и тоже пропускает этап рендеринга. MLAA обрабатывает кадр, выискивая алиасинг и сглаживая его. Как нам объяснил Николас Вайнинг: «Морфологическое сглаживание работает с морфологией (паттернами) неровностей на краях моделей; оно вычисляет оптимальный способ удаления лесенок для каждого вида неровностей путем разбиения краев и зубцов на небольшие наборы морфологических операторов. А затем использует специальные типы смешивания для каждого отдельного набора». Включить MLAA можно в панели управления Catalyst.

Улучшенное субпиксельное морфологическое сглаживание (SMAA): еще один вид постобработки, в котором сочетаются детали MLAA, MSAA и SSAA. Такой метод можно совмещать со SweetFX, а многие современные игры поддерживают его изначально.

Временное сглаживание (TAA или TXAA): TXAA изначально разрабатывалась для графических процессоров Nvidia уровня Kepler и более поздних. Но затем появились не настолько специфические формы временного сглаживания, которые обычно обозначаются, как TAA. При таком способе следующий кадр сравнивается с предыдущим, после чего обнаруживаются и устраняются неровности. Происходит это при поддержке разных фильтров, которые уменьшают «ползающую лесенку» в движении.

Николас Вайнинг объясняет: «Идея TAA заключается в ожидании того, что два идущих друг за другом кадра будут очень похожи, ведь пользователь в игре двигается не настолько быстро. Поэтому раз объекты на экране переместились несильно, мы можем получить данные из предыдущего кадра, чтобы дополнить участки, нуждающиеся в сглаживании».

Многокадровое сглаживание (MFAA): появилось с релизом графических процессоров Maxwell от Nvidia. Тогда как MSAA работает с устойчивыми шаблонами, MFAA позволяет их программировать. Представители Nvidia подробно объясняют технологию в видео ниже (о нем мы уже говорили раньше и очень скоро вы его увидите).

Суперсэмплинг с глубоким обучением (DLSS): новейшая технология Nvidia, доступная лишь в некоторых играх и с видеокартами GeForce RTX. По словам компании: «DLSS использует нейронную сеть для определения многомерных особенностей визуализированной сцены и интеллектуального объединения деталей из нескольких кадров для создания высококачественного финального изображения. DLSS использует меньше сэмплов, чем TAA, при этом избегая алгоритмических трудностей с прозрачностями и другими сложными элементами сцен».

Другими словами, DLSS справляется с задачей лучше и эффективнее, чем TAA, но технологию нужно отдельно готовить к каждой игре. Если не обучить ее должным образом, многие места окажутся размытыми.

Что означают цифры?

В настройках сглаживания вы часто видите значения: 2x, 4x, 8x и т.д. Эти цифры рассказывают о количестве используемых образцов цвета и, как правило, чем больше число, тем точнее будет сглаживание (при этом оно потребует больше системных ресурсов).

Но есть исключения. Так, CSAA пытается достичь сглаживания на уровне MSAA с меньшим количеством образцов цвета. Поэтому 8xCSAA фактически использует только четыре образца цвета. Есть и 8QxCSAA — этот способ сглаживания увеличивает количество образцов цвета до восьми, чтобы повысить точность.

Производительность

Мы использовали бенчмарк Batman: Arkham City, чтобы протестировать несколько старых методов сглаживания: MSAA, FXAA и TXAA. Результаты, как и ожидалось, показывают, что FXAA требует меньше всего ресурсов, в то время как MSAA и TXAA сильно влияют на среднюю частоту кадров.

Результаты тестирования сглаживания в Batman: Arkham City (на двух Nvidia GTX Titan SLI):

Фильтрация анизотропная. Практическое использование расширений: анизотропная фильтрация

Фильтрация анизотропная представляет собой один из таких элементов развития современной графики, который заставляет многих пользователей рассуждать на тему того, насколько сегодня стали доступными различные технологии улучшения изображения для пользователей.

Ведь не стоит скрывать того, что именно геймерам сегодня столько важна максимально качественная трехмерная графика, и именно они на сегодняшний день представляют собой практически единственных потребителей всевозможных новых технологий в области видеокарт. Ведь высокомощный акселератор на данный момент может потребоваться только в том случае, если нужно запустить какую-нибудь игру последнего поколения, в которой присутствует действительно требовательный движок, оперирующий сложнейшими шейдерами различных версий.

Какими бывают карты?

Делать какой-то сверхразвитый движок в наше время – это достаточно серьезная трата средств. И при этом весомый риск. Такими приемами пользуются только высокобюджетные проекты с масштабной рекламой, которые заранее, еще до выхода, уверены в том, что игру будут активно сметать с прилавков. Также следует отметить тот факт, что в последнее время особенное внимание уделяется «политике» касательно современных игровых движков, ведь в сфере игростроя давным-давно присутствует политика, которая предпочитает учитывать интересы двух передовых компаний в области графических процессоров – это NVIDIA и ATI.

Компании достаточно давно соперничают между собой, и на самом деле нет никаких перспектив того, что в ближайшем будущем это противостояние сможет закончиться, однако потребителям это только на руку. Теперь уже мало просто разработать действительно качественный движок, нужно еще и заручиться поддержкой одного из производителей, которые даже создали собственные партнерские программы для игроделов.

А графика все растет и растет…

Сделать абсолютную революцию в сфере графических 3D-движков достаточно сложно, вследствие чего такие перевороты происходят относительно редко. Однако при этом, конечно же, качество изображения периодически улучшается с течением времени и, как ни странно, происходит это как раз под выход какой-то определенной «продающейся» игры наподобие Crysis.

Именно на основе анизотропной фильтрации, а также так называемого антиалиасинга, осуществляется на сегодняшний день выпуск огромнейшего количества различных драйверов видеокарт каждого производителя, при этом каждая компания использует собственный подход и политику касательно данной оптимизации, которая достаточно часто оказывается справедливой далеко не для всех пользователей.

Что такое анизотропная фильтрация?

Фильтрация анизотропная – это специализированный способ улучшения текстур на поверхностях, которые находятся под определенным углом относительно камеры. Точно так же, как трилинейная или же билинейная, анизотропная позволяет полностью устранить алиасинг на разных поверхностях, но при этом вносит минимум размытия, благодаря чему сохраняется предельная детальность изображения.

Стоит отметить тот факт, что анизотропная фильтрация в играх реализуется посредством сложного вычисления, поэтому обеспечение относительно небольшой «прожорливости» данной настройки в играх стало наблюдаться только с 2004 года.

Для того чтобы понять, что представляет собой фильтрация анизотропная, нужно иметь определенные базовые знания в данной области. Конечно, сегодня каждый пользователь прекрасно понимает, что изображение на экране составляется из огромнейшего количества различных пикселей, количество которых непосредственно зависит от разрешения. Для того чтобы вывести изображение на экран, видеокартой должен быть обработан цвет каждого пикселя.

Принцип действия

Выбирается определенная текстура, которая соответствует разрешению, находящемуся поперек направления обзора. После этого берется несколько текселей, находящихся вдоль направления обзора, после чего осуществляется усреднение их цветов.

Так как на экране может находиться более одного миллиона пикселей, а каждый тексель при этом составляет не менее 32 бит, анизотропная фильтрация в играх требует невероятно большой пропускной способности видеокарты, которую не обеспечивают многие даже самые современные устройства. Именно по этой причине такие большие требования к памяти уменьшаются за счет использования кэширования, а также специализированных технологий сжатия текстур.

Как это работает?

Определение цвета пикселей осуществляется путем наложения на полигоны текстурных изображений, состоящих из пикселей двухмерного изображения – текселей, которые накладываются на 3D-поверхность. Главная дилемма в данном случае заключается в том, какие именно тексели будут определять цвет пикселя на экране. Для того чтобы более глубоко понять особенность, которой отличается фильтрация анизотропная, нужно представить, что ваш экран – это большая плита, на которой находится огромнейшее количество разнообразных отверстий, каждое из которых представляет собой пиксель.

Читать еще:  LCM controller что это

Чтобы определить цвет пикселя на какой-либо трехмерной сцене, которая находится за данной плитой, вполне достаточно просто посмотреть в соответствующее отверстие. Теперь представим, что луч света проходит через него, после чего попадает на наш полигон, и если он будет располагаться параллельно касательно места своего входа, то в таком случае получится круглое световое пятно. Если же нет, то пятно будет несколько искаженным, т. е. будет иметь уже форму эллипса. Именно полигоны, которые располагаются в световом пятне, и будут определять цвет каждого конкретного пикселя.

Зачем она нужна?

Многие считают, что анизотропная фильтрация используется исключительно для того, чтобы обеспечить более качественное изображение, однако на самом деле это просто конечный результат, который обеспечивается далеко не только за счет самой фильтрации.

При формировании образа определенной текстуры программистами задается два уровня фильтрации текстур, которые представляют собой фильтры минимальной и предельной дистанции, определяющие то, какая конкретно функция фильтрации будет использоваться в процессе формирования образа текстуры в том случае, если камера будет отдаляться или же приближаться к нему.

К примеру, можно рассмотреть, когда анизотропная или трилинейная фильтрация используется при сближении, то есть когда каждый тексель начинает иметь большие габариты, и уже покрывает одновременно несколько пикселей. Для того чтобы убрать в данной ситуации ступенчатость, и будет использована фильтрация. При этом нужно отметить, что в такой ситуации данное решение является далеко не оптимальным, так как фильтрация (анизотропная или трилинейная) немного смазывает изображение. Для того чтобы придать более реалистичный вид картинке, потребуется увеличение разрешения самой текстуры.

Что лучше выбрать?

Конечно, у любого пользователя и простого геймера возникает вполне логичный вопрос. Сегодня есть трилинейная и анизотропная фильтрация – какая лучше? На самом деле лучше, конечно же, именно анизотропная технология. Все дело в том, что трилинейная фильтрация не очень правильно рассчитывает цвет каждого отдельного текселя, а если говорить более точно, то вовсе неправильно его рассчитывает, если речь идет о наклонных плоскостях. Применение анизотропной технологии позволяет дополнить использующиеся на данный момент режимы фильтрации, регулируя угол. При этом чем большим будет угол, тем более высоким будут реалистичность и качество, которые способна обеспечить анизотропная фильтрация текстур. Однако в то же время нужно понимать, что потребуется и большее количество мощности карты на обработку данных.

Насколько это помогает?

Вам не следует ожидать того, что в конечном итоге после включения данной функции трехмерная графика сказочно улучшится, скорее на больших углах даже будет получена определенная смазанность, однако в общем результате вы получите более реалистичную картинку. В связи с этим каждый для себя самостоятельно решает, стоит ли ему использовать эту функцию и насколько она будет для него продуктивной.

Так как очень сильного улучшения качества картинки данная функция не обеспечивает, те люди, которые стараются обеспечить максимальную производительность игры на не самых сильных компьютерах, ищут, как отключить анизотропную фильтрацию. Требовательность данной функции является немного несоизмеримой по сравнению с тем, какой результат она обеспечивает, поэтому стоит задуматься о том, чтобы отключить ее в первую очередь.

Point Sampling

Point Sampling на сегодняшний день представляет собой наиболее простой вариант того, как определяется цвет пикселя. Данный алгоритм основывается на текстурном изображении, когда выбирается какой-нибудь единственный тексель, расположенный максимально близко к центру светового пятна. Несложно догадаться, что такой вариант является далеко не самым оптимальным, так как цвет пикселя должен определяться одновременно несколькими текселями, а выбирается в данном случае только один, при этом световое пятно может изменять свою форму, что алгоритм не принимает во внимание.

Главным недостатком, которым отличается такая фильтрация анизотропная, является то, что при достаточно близком расположении к экрану количество пикселей будет значительно увеличиваться по сравнению с количеством текселей, вследствие чего изображение становится далеко не таким интересным. Так называемый эффект блочности многие часто наблюдают в «древних» компьютерных играх.

Современные технологии улучшения качества 3D-изображений

Фильтрация текстур

Текстурирование является важнейшим элементом сегодняшних 3D приложений, без него многие трехмерные модели теряют значительную часть своей визуальной привлекательности. Однако процесс нанесения текстур на поверхности не обходится без артефактов и соответствующих методов их подавления. В мире трехмерных игр то и дело встречаются специализированные термины типа «мип-мэппинг», «трилинейная фильтрация» и т.п., которые как раз и относятся к этим методам.

Частным случаем эффекта ступенчатости, рассмотренным ранее, является эффект ступенчатости текстурированных поверхностей, который, к сожалению, нельзя убрать методами мульти- или суперсэмплинга, описанными выше.

Представьте себе черно-белую шахматную доску большого, практически бесконечного размера. Допустим, мы рисуем эту доску на экране и смотрим на нее под небольшим углом. Для достаточно удаленных участков доски размеры клеток неизбежно начнут уменьшаться до размера одного пикселя и меньше. Это так называемое оптическое уменьшение текстуры (minification). Между пикселями текстуры начнется «борьба» за обладание пикселями экрана, что приведет к неприятному мельтешению, что является одной из разновидностей эффекта ступенчатости. Увеличение экранного разрешения (реального или эффективного) помогает только немного, потому что для достаточно удаленных объектов детали текстур все равно становятся меньше пикселей.

С другой стороны, наиболее ближние к нам части доски занимают большую экранную площадь, и можно наблюдать огромные пиксели текстуры. Это называется оптическим увеличением текстуры (magnification). Хотя эта проблема стоит не так остро, для уменьшения негативного эффекта с ней тоже необходимо бороться.

Для решения проблем текстурирования применяется так называемая фильтрация текстур. Если разобраться в процессе рисования трехмерного объекта с наложенной текстурой, можно увидеть, что вычисление цвета пикселя идет как бы «наоборот», — сначала находится пиксель экрана, куда будет спроецирована некоторая точка объекта, а затем для этой точки находятся все пиксели текстуры, попадающие в нее. Выбор пикселей текстуры и их комбинация (усреднение) для получения финального цвета пикселя экрана и называется фильтрацией текстуры.

В процессе текстурирования каждому пикселю экрана ставится в соответствие координата внутри текстуры, причем эта координата не обязательно целочисленная. Более того, пикселю соответствует некоторая область в изображении текстуры, в которую могут попадать несколько пикселей из текстуры. Будем называть эту область образом пикселя в текстуре. Для ближних частей нашей доски пиксель экрана становится значительно меньше пикселя текстуры и как бы находится внутри него (образ содержится внутри пикселя текстуры). Для удаленных, наоборот, в каждый пиксель попадает большое количество точек текстуры (образ содержит в себе несколько точек текстуры). Образ пикселя может иметь различную форму и в общем случае представляет собой произвольный четырехугольник.

Рассмотрим различные методы фильтрации текстур и их вариации.

Ближайший сосед (nearest neighbor)

В этом, наиболее простом, методе в качестве цвета пикселя просто выбирается цвет ближайшего соответствующего пикселя текстуры. Этот метод самый быстрый, но и наименее качественный. По сути, это даже не специальный метод фильтрации, а просто способ выбрать хоть какой-то пиксель текстуры, соответствующий экранному пикселю. Он широко применялся до появления аппаратных ускорителей, вместе с широким распространением которых появилась возможность использовать более качественные методы.

Билинейная фильтрация (bilinear)

Билинейная фильтрация находит четыре пикселя текстуры, ближайшие к текущей точке экрана и результирующий цвет определяется как результат смешения цветов этих пикселей в некоторой пропорции.

Фильтрация методом ближайшего соседа и билинейная фильтрация работают достаточно хорошо когда, во-первых, степень уменьшения текстуры невелика, а во-вторых, когда мы видим текстуру под прямым углом, т.е. фронтально. С чем это связано?

Если рассмотреть, как описывалось выше, «образ» пикселя экрана в текстуре, то для случая сильного уменьшения он будет включать в себя очень много пикселей текстуры (вплоть до всех пикселей!). Кроме того, если мы смотрим на текстуру под углом, этот образ будет сильно вытянут. В обоих случаях описанные методы будут работать плохо, поскольку фильтр не будет «захватывать» соответствующие пиксели текстуры.

Для решения этих проблем применяют так называемый мип-мэппинг и анизотропную фильтрацию.

Мип-мэппинг

При значительном оптическом уменьшении точке экрана может соответствовать достаточно много пикселей текстуры. Это значит, что реализация даже самого хорошего фильтра будет требовать достаточно много времени для усреднения всех точек. Однако проблему можно решить, если создавать и хранить версии текстуры, в которых значения будут усреднены заранее. А на этапе визуализации для пикселя искать нужную версию исходной текстуры и брать значение из нее.

Термин mipmap произошел от латинского multum in parvo — многое в малом. При использовании этой технологии в памяти графического ускорителя в дополнение к изображению текстуры хранится набор ее уменьшенных копий, причем каждая новая ровно в два раза меньше предыдущей. Т.е. для текстуры размером 256×256 дополнительно хранятся изображения 128×128, 64×64 и т.д, вплоть до 1×1.

Далее для каждого пикселя выбирается подходящий уровень мипмапа (чем больше размер «образа» пикселя в текстуре, тем меньший мипмап берется). Далее значения в мипмапе могут усредняться билинейно или методом ближайшего соседа (как описано выше) и дополнительно происходит фильтрация между соседними уровнями мипмапа. Такая фильтрация называется трилинейной. Она дает весьма качественные результаты и широко используется на практике.

Однако проблема с «вытянутым» образом пикселя в текстуре остается. Как раз по этой причине наша доска на большом расстоянии выглядит очень нечеткой.

Анизотропная фильтрация

Анизотропная фильтрация — это процесс фильтрации текстуры, специально учитывающий случай вытянутого образа пикселя в текстуре. Фактически, вместо квадратного фильтра (как в билинейной фильтрации), используется вытянутый, что позволяет более качественно выбрать нужный цвет для экранного пикселя. Такая фильтрация используется вместе с мипмэппингом и дает весьма качественные результаты. Однако, существуют и недостатки: реализация анизотропной фильтрации достаточно сложна и при ее включении скорость рисования значительно падает. Анизотропная фильтрация поддерживается последними поколениями графических процессоров NVidia и ATI. Причем с различным уровнем анизотропии — чем больше этот уровень, чем более «вытянутые» образы пикселей можно корректно обрабатывать и тем лучше качество.

Сравнение фильтраций

Итог следующий: для подавления артефактов алиасинга текстур аппаратно поддерживаются несколько методов фильтрации, различающиеся по своему качеству и скорости работы. Наиболее простой метод фильтрации — метод ближайшего соседа (который фактически не борется с артефактами, а просто заполняет пиксели). Сейчас чаще всего используется билинейная фильтрация вместе с мип-мэппингом или трилинейная фильтрация. В последнее время графические процессоры начали поддерживать наиболее качественный режим фильтрации — анизотропную фильтрацию.

Бамп-мэппинг (Bump mapping)

Бамп-мэппинг (bump mapping) — это тип графических спецэффектов, который призван создавать впечатление «шершавых» или бугристых поверхностей. В последнее время использование бамп-мэппинга стало чуть ли не стандартом игровых приложений.

Основная идея бамп-мэппинга — использование текстур для управления взаимодействием света с поверхностью объекта. Это позволяет добавлять мелкие детали без увеличения количества треугольников. В природе мы различаем мелкие неровности поверхностей по теням: любой бугорок будет с одной стороны светлым, а с другой — темным. Фактически, глаз может и не различать изменения в форме поверхности. Этот эффект и используется в технологии бамп-мэппинга. Одна или несколько дополнительных текстур накладываются на поверхность объекта и используются для вычисления освещенности точек объекта. Т.е. поверхность объекта не меняется вовсе, только создается иллюзия неровностей.

Существует несколько методов бамп-мэппинга, но прежде чем мы перейдем к их рассмотрению, необходимо выяснить, собственно как задать неровности на поверхности. Как уже говорилось выше, для этого используются дополнительные текстуры, причем они могут быть разных видов:

Карта нормалей. В этом случае каждый пиксель дополнительной текстуры хранит вектор, перпендикулярный поверхности (нормаль), закодированный в виде цвета. Нормали используются для вычисления освещенности.

Карта смещений. Карта смещений представляет собой текстуру в градациях серого, в каждом пикселе которой хранится смещение от оригинальной поверхности.

Эти текстуры готовятся дизайнерами трехмерных моделей вместе с геометрией и основными текстурами. Существуют и программы, позволяющие получать карты нормалей или смещений автоматически

Препроцессированный бамп-мэппинг (Pre-calculated bump mapping)

Текстуры, которые будут хранить информацию о поверхности объекта, создаются заранее, до этапа визуализации, путем затемнения некоторых точек текстуры (и, следовательно, самой поверхности) объекта и высветления других. Далее во время рисования используется обычная текстура.

Этот метод не требует никаких алгоритмических ухищрений во время рисования, но, к сожалению, изменений в освещении поверхностей при изменении положений источников света или движения объекта не происходит. А без этого действительно успешной симуляции неровной поверхности не создать. Подобные методы используются для статических частей сцены, часто для архитектуры уровней и т.п

Бамп-мэппинг с помощью тиснения (Emboss bump mapping)

Эта технология применялась на первых графических процессорах (NVidia TNT, TNT2, GeForce). Для объекта создается карта смещений. Рисование происходит в два этапа. На первом этапе карта смещений попиксельно складывается сама с собой. При этом вторая копия сдвигается на небольшое расстояние в направлении источника света. При этом получается следующий эффект: положительные значения разницы определяют освещенные пиксели, отрицательные — пиксели в тени. Эта информация используется для соответствующего изменения цвета пикселей основной текстуры.

Бамп-мэппинг с помощью тиснения не требует аппаратуры, поддерживающей пиксельные шейдеры, однако он плохо работает для относительно крупных неровностей поверхности. Также объекты не всегда выглядят убедительно, это сильно зависит от того, под каким углом смотреть на поверхность.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector