Анизотропная фильтрация - Anisotropic filtering

Не путать с Анизотропная диффузия.
Иллюстрация методов фильтрации текстур, показывающая трилинейную многократно отображаемую текстуру слева и ту же текстуру, улучшенную с помощью анизотропной фильтрации текстур справа.

В 3D компьютерная графика, Анизотропная фильтрация (сокращенно AF) - это метод повышения качества изображения текстуры на поверхностях компьютерной графики, находящихся под углом углы обзора относительно камеры, где проекция текстуры (не многоугольник или другой примитивный на котором он отображается), похоже, неортогональный (отсюда происхождение слова: "ан" для нет, "iso" для одно и тоже, и "тропик" из тропизм, относящиеся к направлению; анизотропная фильтрация не фильтрует одинаково во всех направлениях).

Нравиться билинейный и трилинейная фильтрация, анизотропная фильтрация исключает псевдоним последствия,[1][2] но улучшает эти другие методы, уменьшая размытость и сохраняя детали при экстремальных углах обзора.

Анизотропный фильтрация относительно интенсивная (в основном пропускная способность памяти и в какой-то степени вычислительно, хотя стандарт компромисс между пространством и временем применяются правила) и стала стандартной функцией потребительского уровня видеокарты в конце 1990-х гг.[3] Анизотропная фильтрация теперь обычна в современном графическом оборудовании (и программном обеспечении видеодрайвера) и включается либо пользователями через настройки драйвера, либо графическими приложениями и видеоиграми через программные интерфейсы.

Улучшение изотропного отображения MIP

Пример хранения анизотропных изображений mipmap: основное изображение в верхнем левом углу сопровождается отфильтрованными, линейно преобразованный копии уменьшенного размера. (щелкните, чтобы сравнить с предыдущими изотропными MIP-картами того же изображения)

С этого момента предполагается, что читатель знаком с Отображение MIP.

Если бы мы исследовали более приближенный алгоритм анизотропии, отображение RIP, как расширение от отображения MIP, мы могли бы понять, как анизотропная фильтрация обеспечивает такое высокое качество отображения текстуры.[4] Если нам нужно текстурировать горизонтальную плоскость, которая находится под наклонным углом к ​​камере, традиционная минификация карты MIP даст нам недостаточное разрешение по горизонтали из-за уменьшения частоты изображения по вертикальной оси. Это связано с тем, что при отображении MIP каждый уровень MIP изотропен, поэтому текстура 256 × 256 уменьшается до изображения 128 × 128, затем изображения 64 × 64 и так далее, поэтому разрешение уменьшается вдвое по каждой оси одновременно, поэтому текстура карты MIP Зонд к изображению всегда будет отбирать изображение с одинаковой частотой по каждой оси. Таким образом, при сэмплировании, чтобы избежать наложения спектров на высокочастотной оси, другие оси текстуры будут аналогичным образом субдискретизированы и, следовательно, потенциально размыты.

С помощью анизотропной фильтрации карты MIP, помимо понижающей дискретизации до 128 × 128, изображения также дискретизируются до 256 × 128 и 32 × 128 и т. Д. анизотропно субдискретизированный изображения могут быть исследованы, когда частота отображаемых текстур изображений различна для каждой оси текстуры. Следовательно, одна ось не должна размываться из-за экранной частоты другой оси, и наложения спектров все же можно избежать. В отличие от более общей анизотропной фильтрации, отображение MIP, описанное для иллюстрации, ограничено только поддержкой анизотропных зондов, которые выровнены по оси в текстура космоса, поэтому диагональная анизотропия по-прежнему представляет собой проблему, даже несмотря на то, что в реальных случаях использования анизотропной текстуры обычно есть такие отображения экранного пространства.

Хотя реализации могут свободно изменять свои методы, отображение MIP и связанные с ним ограничения по осям означают, что это неоптимально для истинной анизотропной фильтрации и используется здесь только в иллюстративных целях. Ниже описана полностью анизотропная реализация.

С точки зрения непрофессионала, анизотропная фильтрация сохраняет «резкость» текстуры, которая обычно теряется из-за попыток текстуры карты MIP избежать наложения спектров. Таким образом, можно сказать, что анизотропная фильтрация поддерживает четкие детали текстуры при всех ориентациях просмотра, обеспечивая быстрое сглаживание. Фильтрация текстур.

Поддерживаемая степень анизотропии

Во время рендеринга могут применяться различные степени или соотношения анизотропной фильтрации, и текущие реализации аппаратного рендеринга устанавливают верхнюю границу этого соотношения.[5] Эта степень относится к максимальному коэффициенту анизотропии, поддерживаемому процессом фильтрации. Например, анизотропная фильтрация 4: 1 (произносится как «4-к-1») продолжит повышать резкость более наклонных текстур за пределами диапазона, увеличенного до 2: 1.[6]

На практике это означает, что в ситуациях с сильно наклонным текстурированием фильтр 4: 1 будет в два раза резче, чем фильтр 2: 1 (он будет отображать частоты в два раза выше, чем у фильтра 2: 1). Однако для большей части сцены фильтр 4: 1 не требуется; только более наклонные и обычно более удаленные пиксели потребуют более резкой фильтрации. Это означает, что по мере того, как степень анизотропной фильтрации продолжает увеличиваться вдвое, уменьшается отдача с точки зрения видимого качества с все меньшим и меньшим количеством обработанных пикселей, и результаты становятся менее очевидными для зрителя.

Когда сравниваются результаты рендеринга сцены с анизотропной фильтрацией 8: 1 и сцены с фильтром 16: 1, только относительно небольшое количество сильно наклонных пикселей, в основном на более удаленной геометрии, будет отображать заметно более четкие текстуры в сцене с более высокой степенью анизотропии. фильтрации, и частотная информация для этих немногих отфильтрованных пикселей 16: 1 будет только вдвое больше, чем у фильтра 8: 1. Ухудшение производительности также уменьшается, поскольку меньшее количество пикселей требует выборки данных с большей анизотропией.

В конце концов, это дополнительная сложность оборудования по сравнению с этой убывающей отдачей, которая заставляет устанавливать верхнюю границу анизотропного качества в конструкции оборудования. После этого приложения и пользователи могут свободно регулировать этот компромисс с помощью настроек драйвера и программного обеспечения до этого порога.

Выполнение

Истинная анизотропная фильтрация исследует текстуру анизотропно на лету на попиксельной основе для любой ориентации анизотропии.

В графическом оборудовании, как правило, при анизотропной выборке текстуры несколько проб (тексель образцы) текстуры вокруг центральной точки, но на образце шаблона, отображенном в соответствии с проецируемой формой текстуры в этом пикселе,[7] хотя более ранние программные методы использовали таблицы суммированных площадей.[8]

Каждый зонд с анизотропной фильтрацией часто сам по себе является отфильтрованной выборкой карты MIP, которая добавляет больше выборок к процессу. Для шестнадцати трилинейных анизотропных выборок может потребоваться 128 выборок из сохраненной текстуры, так как для фильтрации трехлинейной карты MIP необходимо четыре выборки, умноженные на два уровня MIP, а затем для анизотропной выборки (при 16-кратной выборке) необходимо взять шестнадцать из этих трилинейных фильтрованных зондов.

Однако такой уровень сложности фильтрации требуется не всегда. Существуют общедоступные методы уменьшения объема работы, которую должно выполнять оборудование для рендеринга видео.

Метод анизотропной фильтрации, наиболее часто реализуемый на графическом оборудовании, представляет собой композицию отфильтрованных значений пикселей только из одной строки образцов карты MIP. В общем, способ построения фильтра текстуры, полученного в результате того, что несколько зондов заполняют спроецированную выборку пикселей в пространство текстуры, называется «сборкой посадочного места», даже если детали реализации различаются.[9][10][11]

Производительность и оптимизация

Требуемый подсчет образцов может сделать анизотропную фильтрацию чрезвычайно пропускная способность -интенсивный. Часто встречаются несколько текстур; каждый образец текстуры может иметь размер четыре байта или более, поэтому для каждого анизотропного пикселя может потребоваться 512 байтов из текстурной памяти, хотя сжатие текстуры обычно используется, чтобы уменьшить это.

Устройство отображения видео может легко содержать более двух миллионов пикселей, а желаемая частота кадров приложения часто превышает 60 кадров в секунду. В результате требуемая полоса пропускания текстурной памяти может вырасти до больших значений. Диапазон в сотни гигабайт в секунду полосы пропускания конвейера для операций рендеринга текстур не является необычным там, где задействованы операции анизотропной фильтрации.[12]

К счастью, несколько факторов способствуют повышению производительности:

  • Сами зонды разделяют кешированный образцы текстур, как межпиксельные, так и внутрипиксельные.[13]
  • Даже при анизотропной фильтрации с 16 отводами не всегда нужны все 16 отводов, потому что только удаленная очень наклонный пиксельные заливки имеют тенденцию быть сильно анизотропными.[6]
  • Сильно анизотропная пиксельная заливка имеет тенденцию покрывать небольшие области экрана (т.е. обычно менее 10%)[6]
  • Фильтры увеличения текстуры (как правило) не требуют анизотропной фильтрации.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Блинн, Джеймс Ф .; Ньюэлл, Мартин Э. (октябрь 1976 г.). «Графика и обработка изображений: текстура и отражение в компьютерных изображениях» (PDF). Коммуникации ACM. 19 (10): 542–547. Дои:10.1145/360349.360353. Получено 2017-10-20.
  2. ^ Хекберт, Пол С. (ноябрь 1986 г.). «Обзор текстурного наложения» (PDF). Компьютерная графика и приложения IEEE: 56–67. Получено 2017-10-20.
  3. ^ «Белая книга Radeon» (PDF). ATI Technologies Inc. 2000. с. 23. Получено 2017-10-20.
  4. ^ «Глава 5: Текстурирование» (PDF). CS559, осень 2003 г.. Университет Висконсина-Мэдисона. 2003. Получено 2017-10-20.
  5. ^ "Анизотропная фильтрация". Корпорация Nvidia. Получено 2017-10-20.
  6. ^ а б c "Сглаживание текстуры". Видеокарта ATI Radeon 9700 Pro. Технический отчет. Получено 2017-10-20.
  7. ^ Олано, Марк; Мукерджи, Шриджит; Дорби, Ангус (2001). Анизотропное текстурирование на основе вершин (PDF). Материалы семинара ACM SIGGRAPH / EUROGRAPHICS по графическому оборудованию. С. 95–98. CiteSeerX  10.1.1.1.6886. Дои:10.1145/383507.383532. ISBN  978-1581134070. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-02-14. Получено 2017-10-20.
  8. ^ Ворона, Франклин К. (июль 1984 г.). «Таблицы суммированных площадей для отображения текстуры» (PDF). SIGGRAPH'84: Компьютерная графика. 18 (3). Получено 2017-10-20.
  9. ^ Шиллинг, А .; Knittel, G .; Штрассер, В. (май 1996 г.). «Texram: умная память для текстурирования». Компьютерная графика и приложения IEEE. 16 (3): 32–41. Дои:10.1109/38.491183.
  10. ^ Чен, Баоцюань; Дачилль, Франк; Кауфман, Арье (март 2004 г.). «Образец текстурирования площади отпечатка» (PDF). IEEE Transactions по визуализации и компьютерной графике. 10 (2): 230–240. Дои:10.1109 / TVCG.2004.1260775. Получено 2017-10-20.
  11. ^ Ленш, Хендрик (2007). "Компьютерная графика: теория фильтрации текстур и выборки" (PDF). Институт информатики Макса Планка. Получено 2017-10-20.
  12. ^ Мэй, Синьсинь; Чу, Сяовэнь (2015-09-08). «Анализ иерархии памяти GPU с помощью микробенчмаркинга». arXiv:1509.02308 [cs.AR ].Доступ 2017-10-20.
  13. ^ Игехи, Хоман; Элдридж, Мэтью; Праудфут, Кекоа (1998). «Предварительная выборка в архитектуре кэша текстур». Eurographics / SIGGRAPH Мастерская по графическому оборудованию. Стэндфордский Университет. Получено 2017-10-20.

внешняя ссылка