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놀라운 이미지 향상 기술: 이방성 필터링은 어떻게 기존 필터링의 한계를 깨는가?
3D 컴퓨터 그래픽에서 이방성 필터링(AF)은 텍스처 이미지의 품질을 크게 향상시키는 방법입니다. 이 기술은 카메라의 관점이 왜곡되고 텍스처 투영이 직교되지 않은 표면에만 적용된다는 점에서 독특합니다. 단어의 유래에서 알 수 있듯이, 이방성 필터링은 각 방향을 같은 방식으로 처리하지 않습니다. 선형 및 삼선형 필터링과 비교해 이방성 필터링은 앨리어싱 효과를 제거할 뿐만 아니라 흐릿함을 개선하고 극단적인 시야각에서도 세부 사항을 보존합니다.
이방성 필터링은 앨리어싱을 피하는 과정에서 기존 밉맵 기술이 잃는 "선명도"를 보존할 수 있습니다.
1990년대 후반, 메모리 대역폭 제한으로 인해 이방성 필터링이 인기를 끌었고 소비자용 그래픽 카드의 표준 기능이 되었습니다. 이 기술은 최신 그래픽 하드웨어(및 비디오 드라이버)에서 일반적으로 사용되며, 사용자는 드라이버 설정이나 게임 인덱스 인터페이스를 통해 이 필터링 기술을 활성화할 수 있습니다.
등방성 알고리즘과의 비교
이방성 필터링은 빠른 앤티 앨리어싱 텍스처 필터링 기술을 구현하여 모든 시야각에서 선명한 텍스처 디테일을 유지합니다. 기존의 등방성 밉맵 기술은 각 레이어의 해상도가 감소함에 따라 각 축의 해상도가 절반으로 줄어듭니다. 따라서 수평면을 비스듬한 각도로 렌더링할 경우 최소화 결과는 수직축의 이미지 주파수가 감소하여 수평 해상도가 부족하다는 결과를 낳습니다.
예를 들어, 256x256 텍스처에 이방성 필터링을 적용하면 128x128이 될 뿐만 아니라, 256x128 및 32x128과 같은 비정사각형 해상도가 됩니다.
밉맵 이방성 필터링을 사용하면 텍스처 축마다 텍스처 이미지 주파수가 다를 때 이방성 다운샘플링 이미지를 감지할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 한 축이 다른 축의 화면 주파수로 인해 흐릿해지는 것을 방지하는 동시에 앨리어싱도 방지할 수 있습니다.
이방성의 정도
렌더링 과정에서는 다양한 수준의 이방성 필터링을 적용할 수 있으며, 여기서 수준은 필터링 프로세스에서 지원하는 최대 이방성 비율을 나타냅니다. 예를 들어, 4:1("4:1") 이방성 필터링은 2:1의 범위를 넘어 비뚤어진 텍스처의 선명도를 더욱 향상시킵니다. 실제적으로 이는 매우 비뚤어진 텍스처의 경우 4:1 필터는 2:1 필터보다 두 배나 선명하게 나타난다는 것을 의미합니다.
그러나 대부분의 장면에는 4:1 필터링이 필요하지 않습니다. 더욱 기울어진 픽셀과 보통 멀리 있는 픽셀에만 더 선명한 필터링 기술이 필요합니다.
즉, 이방성 필터링의 정도가 높아질수록 육안으로 볼 수 있는 품질 향상 효과는 점점 줄어들고, 극히 왜곡된 픽셀 중 상대적으로 소수만이 더 선명한 텍스처를 보여줍니다.
구현 방법
진정한 이방성 필터링은 픽셀 단위로 즉시 비례적으로 수행됩니다. 그래픽 하드웨어에서 이방성 샘플링이 수행되면 일반적으로 해당 픽셀의 투영 모양을 기반으로 텍스처의 중심점 주변에서 여러 개의 프로브가 수행됩니다. 과거 소프트웨어 방식에서는 대부분 합산 면적 표를 사용했습니다. 각 이방성 필터링 프로브는 일반적으로 필터링된 밉맵 샘플 자체이므로 이 프로세스는 샘플링 복잡성을 증가시킵니다.
예를 들어, 16개의 삼선형 이방성 샘플에는 128개의 샘플이 필요한 반면, 삼선형 밉맵 필터링은 밉맵당 4개의 샘플을 채취한 후에 16개의 이방성 샘플을 더 채취해야 합니다.
그러나 이러한 필터링의 복잡성은 항상 필요한 것은 아닙니다. 그래픽 렌더링 하드웨어의 작업 부하를 줄이는 방법에는 몇 가지가 있습니다. 그래픽 하드웨어에서는 밉맵 샘플의 한 행에서만 필터링된 픽셀 값을 합성하는 것이 가장 일반적입니다.
성능 및 최적화
필요한 샘플 수로 인해 이방성 필터링은 매우 대역폭을 많이 사용하게 될 수 있습니다. 여러 텍스처가 일반적이므로 각 샘플 크기가 4바이트 이상일 수 있으며, 각 이방성 픽셀은 텍스처 메모리에서 512바이트를 가져와야 할 수도 있습니다. 안타깝게도 현재의 TV 디스플레이는 200만 개가 넘는 픽셀을 쉽게 갖추고 있으며, 원하는 애플리케이션 프레임 속도는 일반적으로 초당 60프레임보다 높습니다.
따라서 텍스처 렌더링 작업에 필요한 대역폭은 초당 수백 GB에 달할 수 있으며, 이는 이방성 필터링 작업이 관련된 경우 드문 일이 아닙니다.
다행히도 다양한 요소로 성능을 개선할 수 있습니다. 프로브 자체는 픽셀 내부와 픽셀 전체에 걸쳐 캐시된 텍스처 샘플을 공유합니다. 16개 샘플의 이방성 필터링을 사용하더라도 16개 샘플이 모두 필요한 것은 아닙니다. 멀리 있는 픽셀과 왜곡된 픽셀 채우기만이 매우 이방성이 되기 때문입니다.
이런 맥락에서 이방성 필터링은 우리의 이미지 품질에 대한 요구를 전례 없는 수준으로 충족시켜 주었고, 이는 우리에게 다음과 같은 의문을 갖게 합니다. 앞으로 이미징 기술은 어떤 방향으로 발전할까요? 더욱 현실적이고 특별해질까요?
