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驚異的な画像強化技術: 異方性フィルタリングはどのようにして従来のフィルタリングの限界を打ち破るのか?
3D コンピュータ グラフィックスでは、異方性フィルタリング (AF) はテクスチャ画像の品質を大幅に向上させる方法です。この手法は、カメラの視点が歪んでいて、テクスチャ投影が非直交に見えるサーフェスにのみ適用されるという点で独特です。単語の由来が示すように、異方性フィルタリングは各方向を同じようには扱いません。バイリニア フィルタリングやトリリニア フィルタリングと比較すると、異方性フィルタリングはエイリアシング効果を排除するだけでなく、ぼかしを改善し、極端な視野角でも詳細を保持します。
異方性フィルタリングは、従来のミップマップ技術ではエイリアシングを回避する過程で失われる「明瞭さ」を維持できます。
1990 年代後半には、メモリ帯域幅の制限により、異方性フィルタリングの使用が普及し、消費者向けグラフィックス カードの標準機能になりました。このテクノロジは最新のグラフィックス ハードウェア (およびビデオ ドライバー) で一般的であり、ユーザーはドライバー設定またはゲーム インデックス インターフェイスを通じてこのフィルタリング テクノロジを有効にすることができます。
等方性アルゴリズムとの比較
異方性フィルタリングにより、高速アンチエイリアス テクスチャ フィルタリング テクノロジが可能になり、あらゆる視野角で鮮明なテクスチャの詳細が維持されます。従来の等方性ミップマップ技術では、各レイヤーの解像度が低下すると、各軸の解像度が半分になります。したがって、水平面を斜めの角度でレンダリングする場合、最小化の結果、垂直軸の画像周波数が低下するため、水平解像度が不足することになります。
例えば、256x256 のテクスチャに異方性フィルタリングを適用すると、128x128 になるだけでなく、256x128 や 32x128 などの非正方形の解像度にもなります。
ミップマップ異方性フィルタリングを使用すると、テクスチャの画像周波数がテクスチャ軸ごとに異なる場合に、異方性のダウンサンプリングされた画像を検出することができます。この方法では、エイリアシングを回避しながら、一方の軸がもう一方の軸のスクリーン周波数によってぼやけることはありません。
異方性の度合い
レンダリング プロセス中に、さまざまな程度の異方性フィルタリングを適用できます。ここで、程度とは、フィルタリング プロセスでサポートされる最大異方性比を指します。たとえば、4:1 (「4 対 1」) 異方性フィルタリングでは、2:1 の範囲を超えて、歪んだテクスチャの鮮明度がさらに向上します。実際には、これは、非常に歪んだテクスチャの場合、4:1 フィルターは 2:1 フィルターの 2 倍の鮮明さで表示されることを意味します。
ただし、ほとんどのシーンでは 4:1 フィルタリングは必要ありません。より歪んだ、通常はより遠くにあるピクセルに対してのみ、よりシャープなフィルタリング技術が必要になります。
つまり、異方性フィルタリングの度合いが増すにつれて、肉眼で確認できる品質向上の効果は減少し、比較的少数の大きく歪んだピクセルだけがより鮮明なテクスチャを示すことになります。
実装方法
真の異方性フィルタリングは、ピクセルごとに瞬時に比例して実行されます。グラフィックス ハードウェアでは、異方性サンプリングを実行する場合、通常、そのピクセルの投影された形状に基づいて、テクスチャの中心点の周囲で複数のプローブが実行されます。これまでのソフトウェア方式では、主に合計面積表が使用されていました。各異方性フィルタリング プローブは通常、それ自体がフィルタリングされたミップマップ サンプルであるため、このプロセスによりサンプリングの複雑さが増します。
たとえば、16 個の三線異方性サンプルには 128 個のサンプルが必要になる可能性がありますが、三線ミップマップ フィルタリングでは、ミップマップごとに 4 つのサンプルを取得し、さらに 16 個の異方性サンプルを取得する必要があります。
ただし、このようなフィルタリングの複雑さは必ずしも必要ではありません。グラフィック レンダリング ハードウェアの負荷を軽減する方法はいくつかあります。グラフィックス ハードウェアでは、ミップマップ サンプルの 1 行のみからフィルターされたピクセル値を合成するのが最も一般的です。
パフォーマンスと最適化
必要なサンプル数によっては、異方性フィルタリングで帯域幅を大量に消費する可能性があります。複数のテクスチャが一般的であるため、各サンプル サイズは 4 バイト以上になる可能性があり、各異方性ピクセルはテクスチャ メモリから 512 バイトをフェッチする必要がある場合があります。残念ながら、現在のテレビ ディスプレイのピクセル数は 200 万を超えており、必要なアプリケーション フレーム レートは通常 1 秒あたり 60 フレームを超えています。
したがって、テクスチャ レンダリング操作の帯域幅要件は 1 秒あたり数百 GB に達する可能性があり、異方性フィルタリング操作が関係する場合は珍しいことではありません。
幸いなことに、パフォーマンスを向上させる要素は数多くあります。プローブ自体は、ピクセル間およびピクセル内のキャッシュされたテクスチャ サンプルを共有します。 16 サンプルの異方性フィルタリングを使用する場合でも、遠くの歪んだピクセルの塗りつぶしのみが高度に異方性となるため、16 サンプルすべてが必要なわけではありません。
このような状況において、異方性フィルタリングは、画質に対する私たちの要求を前例のないレベルで満たしており、次のような疑問が生じます。将来、画像技術はどのような方向へ発展するのでしょうか。より現実的で並外れたものになるのでしょうか。
