Language
Country/Area
No result found
Удивительная технология улучшения изображений: как анизотропная фильтрация преодолевает ограничения традиционной фильтрации?
В трехмерной компьютерной графике анизотропная фильтрация (АФ) — это метод, позволяющий значительно улучшить качество текстурных изображений. Уникальность этого метода заключается в том, что он применяется только на поверхностях, где перспектива камеры искажена, а проекция текстуры выглядит неортогональной. Как следует из происхождения слова, анизотропная фильтрация не обрабатывает каждое направление одинаково. По сравнению с билинейной и трилинейной фильтрацией анизотропная фильтрация не только устраняет эффекты наложения спектров, но также улучшает размытие и сохраняет детали при экстремальных углах обзора.
Анизотропная фильтрация позволяет сохранить «четкость», которую традиционная технология MIP-текстурирования теряет в процессе избежания наложения спектров.
В конце 1990-х годов из-за ограничений пропускной способности памяти использование анизотропной фильтрации стало популярным и стало стандартной функцией потребительских видеокарт. Эта технология распространена в современном графическом оборудовании (и видеодрайверах), и пользователи могут включить эту технологию фильтрации через настройки драйвера или интерфейсы индекса игры.
Сравнение с изотропным алгоритмом
Анизотропная фильтрация обеспечивает быструю технологию сглаживающей фильтрации текстур, сохраняя четкие детали текстур при всех углах обзора. Традиционная изотропная технология MIP-текстурирования уменьшает разрешение по каждой оси вдвое по мере уменьшения разрешения каждого слоя. Таким образом, при визуализации горизонтальных плоскостей под косыми углами результат минимизации приведет к отсутствию горизонтального разрешения из-за снижения частоты изображения по вертикальной оси.
Например, если анизотропная фильтрация применяется к текстуре размером 256x256, то она не только станет 128x128, но и будет иметь неквадратные разрешения, такие как 256x128 и 32x128.
Благодаря анизотропной фильтрации MIP-карт можно обнаружить анизотропные изображения с пониженной дискретизацией, когда частота изображения текстуры различна для каждой оси текстуры. Таким образом, одна ось не размывается частотой экрана другой оси, при этом избегая наложения спектров.
Степень анизотропии
В процессе рендеринга могут применяться различные степени анизотропной фильтрации, где степень относится к максимальному коэффициенту анизотропии, поддерживаемому процессом фильтрации. Например, анизотропная фильтрация 4:1 («четыре к одному») еще больше повысит четкость перекошенных текстур за пределами диапазона 2:1. На практике это означает, что в случае сильно искаженных текстур фильтр 4:1 будет казаться в два раза более резким, чем фильтр 2:1.
Однако для большинства сцен фильтрация 4:1 не требуется, только для более искаженных и обычно более удаленных пикселей потребуются более четкие методы фильтрации.
Это означает, что по мере увеличения степени анизотропной фильтрации будет наблюдаться уменьшение отдачи от улучшения качества, заметного невооруженным глазом, поскольку только относительно небольшое количество сильно перекошенных пикселей будет показывать более четкие текстуры.
Методы реализации
Истинная анизотропная фильтрация выполняется пропорционально на мгновенной попиксельной основе. В графическом оборудовании при выполнении анизотропной выборки обычно выполняется несколько зондирований вокруг центральной точки текстуры на основе проецируемой формы этого пикселя. В предыдущих программных методах в основном использовались таблицы суммированных площадей. Каждый зонд анизотропной фильтрации обычно сам по себе представляет собой отфильтрованный образец MIP-текстуры, поэтому этот процесс увеличивает сложность выборки.
Например, для шестнадцати трилинейных анизотропных образцов может потребоваться 128 образцов, в то время как для трилинейной фильтрации MIP-текстур потребуется взять четыре образца на MIP-текстуру, а затем еще шестнадцать анизотропных образцов.
Однако такая сложность фильтрации не всегда требуется. Существует несколько способов снизить нагрузку на оборудование для рендеринга графики. В графическом оборудовании наиболее распространенной схемой является компоновка отфильтрованных значений пикселей из одной строки образцов MIP-текстур.
Производительность и оптимизация
Количество требуемых выборок может сделать анизотропную фильтрацию очень требовательной к полосе пропускания. Поскольку распространены множественные текстуры, размер каждой выборки может составлять четыре байта или более, поэтому каждому анизотропному пикселю может потребоваться извлечь 512 байт из памяти текстуры. К сожалению, современные телевизионные дисплеи могут легко иметь более двух миллионов пикселей, а желаемая частота кадров приложения обычно превышает 60 кадров в секунду.
Таким образом, требования к полосе пропускания для операций рендеринга текстур могут достигать сотен ГБ в секунду, что не является редкостью при использовании операций анизотропной фильтрации.
К счастью, ряд факторов может улучшить производительность. Сами зонды обмениваются кэшированными образцами текстур как между пикселями, так и внутри них. Даже при 16-выборочной анизотропной фильтрации не все 16 выборок необходимы, поскольку только заполнение отдаленных и перекошенных пикселей будет сильно анизотропным.
В этом контексте анизотропная фильтрация удовлетворила наши требования к качеству изображения в беспрецедентной степени, что заставляет нас задуматься: в каком направлении будет развиваться технология визуализации в будущем? Становиться более реальной и необычной?
