Language
Country/Area
No result found
Erstaunliche Bildverbesserungstechnologie: Wie überwindet die anisotrope Filterung die Beschränkungen der herkömmlichen Filterung?
In der 3D-Computergrafik ist die anisotrope Filterung (AF) eine Methode, um die Qualität von Texturbildern deutlich zu verbessern. Die Einzigartigkeit dieser Technik besteht darin, dass sie nur auf Oberflächen angewendet wird, bei denen die Kameraperspektive verzerrt ist und die Texturprojektion nicht orthogonal erscheint. Wie der Wortursprung schon andeutet, behandelt die anisotrope Filterung nicht jede Richtung auf die gleiche Weise. Im Vergleich zur bilinearen und trilinearen Filterung eliminiert die anisotrope Filterung nicht nur Aliasing-Effekte, sondern verbessert auch die Unschärfe und bewahrt Details bei extremen Betrachtungswinkeln.
Durch die anisotrope Filterung kann die „Klarheit“ bewahrt werden, die bei der herkömmlichen Mipmap-Technologie beim Vermeiden von Aliasing verloren geht.
In den späten 1990er Jahren wurde die Verwendung der anisotropen Filterung aufgrund von Einschränkungen der Speicherbandbreite populär und entwickelte sich zu einer Standardfunktion von Grafikkarten für Verbraucher. Diese Technologie ist in moderner Grafikhardware (und Videotreibern) weit verbreitet und Benutzer können diese Filtertechnologie über Treibereinstellungen oder Spieleindexschnittstellen aktivieren.
Vergleich mit dem isotropen Algorithmus
Anisotrope Filterung ermöglicht eine schnelle Anti-Aliasing-Texturfiltertechnologie, die scharfe Texturdetails aus allen Betrachtungswinkeln aufrechterhält. Bei der herkömmlichen isotropen Mipmap-Technologie wird die Auflösung auf jeder Achse halbiert, da die Auflösung jeder Ebene abnimmt. Bei der Darstellung horizontaler Ebenen in schrägen Winkeln führt das Minimierungsergebnis daher zu einem Verlust an horizontaler Auflösung aufgrund der Reduzierung der Bildfrequenz in der vertikalen Achse.
Wenn beispielsweise eine anisotrope Filterung auf eine 256 x 256 Textur angewendet wird, wird diese nicht nur zu 128 x 128, sondern auch zu nicht quadratischen Auflösungen wie 256 x 128 und 32 x 128.
Mit der anisotropen Mipmap-Filterung ist es möglich, anisotrop herunterskalierte Bilder zu erkennen, wenn die Bildfrequenz der Textur für jede Texturachse unterschiedlich ist. Auf diese Weise wird eine Achse nicht durch die Rasterfrequenz der anderen Achse verwischt, Aliasing wird jedoch trotzdem vermieden.
Grad der Anisotropie
Während des Rendervorgangs können verschiedene Grade der anisotropen Filterung angewendet werden, wobei sich der Grad auf das maximale Anisotropieverhältnis bezieht, das vom Filtervorgang unterstützt wird. Beispielsweise wird durch eine anisotrope Filterung im Verhältnis 4:1 („vier zu eins“) die Klarheit verzerrter Texturen über den Bereich von 2:1 hinaus noch weiter verbessert. In der Praxis bedeutet dies, dass bei stark verzerrten Texturen ein 4:1-Filter doppelt so scharf erscheint wie ein 2:1-Filter.
Für die meisten Szenen ist jedoch keine 4:1-Filterung erforderlich. Nur die stärker schiefen und normalerweise weiter entfernten Pixel erfordern schärfere Filtertechniken.
Das bedeutet, dass mit zunehmendem Grad der anisotropen Filterung die mit bloßem Auge erkennbare Qualitätsverbesserung abnimmt und nur eine relativ kleine Anzahl stark verzerrter Pixel klarere Texturen aufweist.
Implementierungsmethoden
Echte anisotrope Filterung erfolgt proportional und sofort pro Pixel. Bei der anisotropen Abtastung in Grafikhardware werden normalerweise mehrere Prüfungen um den Mittelpunkt der Textur herum durchgeführt, basierend auf der projizierten Form dieses Pixels. Bei früheren Softwaremethoden wurden meist Flächensummentabellen verwendet. Jede anisotrope Filtersonde ist typischerweise selbst eine gefilterte Mipmap-Probe, sodass dieser Prozess die Komplexität der Probenahme erhöht.
Beispielsweise könnten sechzehn trilineare anisotrope Samples 128 Samples erfordern, während für die trilineare Mipmap-Filterung vier Samples pro Mipmap und anschließend sechzehn weitere anisotrope Samples erforderlich wären.
Eine solche Filterkomplexität ist jedoch nicht immer erforderlich. Es gibt einige Möglichkeiten, die Arbeitsbelastung der Grafik-Rendering-Hardware zu reduzieren. Bei Grafikhardware ist es am üblichsten, gefilterte Pixelwerte aus nur einer Zeile von Mipmap-Samples zusammenzusetzen.
Leistung und Optimierung
Die Anzahl der erforderlichen Samples kann dazu führen, dass die anisotrope Filterung sehr bandbreitenintensiv ist. Da mehrere Texturen üblich sind, kann die Größe jedes Samples vier Byte oder mehr betragen, sodass jedes anisotrope Pixel unter Umständen 512 Byte aus dem Texturspeicher abrufen muss. Leider verfügen aktuelle Fernsehbildschirme leicht über zwei Millionen Pixel und die gewünschten Anwendungsbildraten liegen typischerweise über 60 Bildern pro Sekunde.
Daher kann der Bandbreitenbedarf für Textur-Rendering-Operationen Hunderte von GB pro Sekunde erreichen, was bei anisotropen Filteroperationen nicht ungewöhnlich ist.
Glücklicherweise gibt es eine Reihe von Faktoren, die die Leistung verbessern können. Die Sonden selbst nutzen zwischengespeicherte Texturproben sowohl über Pixel hinweg als auch innerhalb von Pixeln gemeinsam. Auch bei einer anisotropen Filterung mit 16 Proben sind nicht alle 16 Proben erforderlich, da nur die Füllung entfernter und schiefer Pixel stark anisotrop ist.
In diesem Zusammenhang hat die anisotrope Filterung unsere Ansprüche an die Bildqualität in einem noch nie dagewesenen Maße erfüllt, was uns fragen lässt: In welche Richtung wird sich die Bildgebungstechnologie in Zukunft entwickeln? Wird sie realer und außergewöhnlicher?
