Автор: Алексей Игнатенко

Опубликовано: 09.06.2006

Изменено: 19.06.2006

Постоянная ссылка

Комментарии [6]

Современные технологии улучшения качества 3D-изображений





Страницы: 1 2

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.

Это текстура шахматной доски Плоскость с наложенной текстурой. Обратите внимание на искажения, возникающие при уменьшении клеток
Рисунок 6.

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.

Рисунок 7. Область экрана и ее образ в текстуре

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.

Фильтрация методом ближайшего соседа Билинейная фильтрация
Рисунок 8.

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 256x256 дополнительно хранятся изображения 128x128, 64x64 и т.д, вплоть до 1x1.

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.

Рисунок 9. Уровни мипмапа

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.

Ближайший сосед Билинейная
Трилинейная Анизотропная
Рисунок 10.

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.

Карта смещений Карта смещений складывается сама с собой, но сдвинутой на небольшое расстояние Конечная текстура с эффектом тиснения
Рисунок 11.

Пиксельный бамп-мэппинг (Pixel bump mapping)

Пиксельный бамп-мэппинг - на данный момент вершина развития подобных технологий. В этой технологии все вычисляется максимально честно. На вход пиксельному шейдеру дается карта нормалей, из которой берутся значения нормали для каждой точки объекта. Затем значение нормали сравнивается с направлением на источник света и вычисляется значение цвета.

Эта технология поддерживается в аппаратуре начиная с видеокарт уровня GeForce2.

Объект с основной текстурой Карта нормалей Результат бамп-мэппинга

Рисунок 12.

Итак, мы увидели, каким образом можно использовать особенности человеческого восприятия мира для улучшения качества изображений, создаваемый 3D-играми. Счастливые обладатели последнего поколения видеокарт NVidia GeForce, ATI Radeon (впрочем, и не только последнего) могут самостоятельно поиграть с некоторыми их описанных эффектов, благо настройки устранения ступенчатости и анизотропной фильтрации доступны из опций драйверов. Эти и другие методы, оставшиеся за рамками данной статьи, успешно внедряются разработчиками игр в новые продукты. В общем, жизнь становится лучше. То-то еще будет!

 

Страницы: 1 2