MIP-текстурирование (MIP mapping) - метод текстурирования, использующий несколько копий одной текстуры с разной детализацией. Название происходит от multum in parvo - «много в малом».
Назначение
Изображение лучше всего выглядит, когда детализация текстуры близка к разрешению экрана. Если разрешение экрана высокое (текстура слишком маленькая/объект очень близко), получается размытое изображение. Если же разрешение текстуры слишком высокое (текстура слишком велика/объект очень далеко), получаем случайные пиксели - а значит, потерю мелких деталей, мерцание и большой процент промахов в кэш. Получается, что лучше иметь несколько текстур разной детализации и накладывать на объект ту, которая наиболее подходит в данной ситуации.
Принцип действия
Создаётся так называемая MIP-пирамида - последовательность текстур с разрешением от максимального до 1×1. Например: 1×1, 2×2, 4×4, 8×8, 16×16, 32×32, 64×64, 128×128, 256×256, 512×512 и 1024×1024. Каждая из этих текстур называется MIP-уровнем (MIP level) или уровнем детализации (level of detail).
Недостатки, способы решения
Расход видеопамяти увеличивается на треть. Впрочем, видеопамять сейчас достаточно дешева. К тому же, если объект далеко, его детальную текстуру можно выгрузить в оперативную память.
MIP-текстурирование не решает проблему текстур, находящихся под острым углом к зрителю (например, дорога в автосимуляторе). У таких текстур разрешение по одной оси сильно отличается от разрешения по другой - и, например, по оси X изображение явно размыто, в то время как по оси Y видны мерцания, свойственные завышенному разрешению текстуры. Есть сразу несколько способов решения этого (начиная с наименее качественного):
- Установить в видеодрайвере наиболее комфортное значение mip bias - числа́, которое отвечает за выбор номера текстуры в пирамиде. Если оно отрицательное, видеоплата берёт более детальные текстуры, если положительное - менее детальные.
- Многие игры сами устанавливают подходящий mip bias для разных типов объектов. Например, в Live for Speed mip bias устанавливается пользователем отдельно для автомобилей, препятствий и дороги.
- Воспользоваться
Mipmapping (mip-mapping, mip-текстурирование или мипмеппинг) это метод уменьшения объема вычислений необходимых для точного наложения текстурного изображения на полигон. Простейший метод наложения текстур называется point-sampling (single point-sampling или поточечная выборка). Суть его в том, что для каждого пикселя, составляющего полигон, вы выбираете один тексель из текстурного изображения.
Этот метод очень неточен и результатом его применения является появление неровностей (aliasing - качество изображения ухудшается). А именно, всякий раз, когда пиксели больше по размеру, чем тексели, наблюдается эффект мерцания. Этот эффект имеет место, если часть полигона достаточно удалена от точки наблюдения, так, что сразу много текселей накладываются на пространство, занимаемое одним пикселем.
Заметим, что если полигон расположен очень близко к точкем наблюдения и тексели больше по размеру, чем пиксели, мы можем наблюдать другой тип ухудшения качества изображения (aliasing - алиасинг). В данном случае, изображение начинает выглядеть блочным. Этот эффект имеет место, когда текстура может быть достаточно большой, но ограничение в виде доступного разрешения экрана не дает возможности правильно представить исходое изображение.
На самом деле, mipmapping не может предотвратить такого рода эффекты ухудшения качества изображения; ничто не может помочь в этом случае, за исключением использования больших по размеру (т.е. имеющих более высокое разрешение) текстурных изображений или использование специальной техники, называемой "detail textures" (детализированные текстуры). Метод mipmapping разработан с целью помочь избавиться от первого типа ухудшений изображений или алиасинга, когда несколько текселей накладываются на один пиксель. Проблема тут в том, что если вам требуется правильным образом вывести на экран пиксель, вам необходимо скомбинировать значения ВСЕХ текселей, которые накладываются на пиксель. Разумеется, вы не можете сделать этого, если выбираете лишь один тексель. При этом, вам не хочется делать выборку по ВСЕМ текселям, потому что это слишком большой объем работы для правильного вывода на экран всего одного пикселя.
Метод mipmapping снижает объемы работы за счет генерирования и хранения множество версий исходного текстурного изображения, каждая из версий которого имеет все меньшее и меньшее разрешение (таким образом эффективнее используя "большие" тексели). Когда происходит текстурирование пикселя, вам нужно выбрать версию текстурного изображения, которая имеет необходимый размер текселей (относительно размера пикселя).
Теперь у вас есть много альтернатив -- какие тексели следует использовать, исходя из 8 хороших вариантов:
· у вас есть 4 близлежащих (nearest) текселей из текстурного изображения, причем эти тексели лишь слегка больше по размеру чем писксель.
· у вас есть 4 близлежащих текселей из текстурного изображения, причем эти тексели лишь слегка меньше по размеру чем писксель.
Если вы создаете неподвижное изображение, вы можете просто выбрать один ближайший тексель и использовать его. Однако, если вы создаете анимацию или движущееся изображение, результатом такого выбора будет серьезное ухудшение качества изображения (снова мерцание), в следствии того, что при медленном движении тексель выбранный для пикселя может "перескакивать" с одного места на другое при смене кадров.
Чтобы результат был лучше, вы должны выбрать несколько текселей и взять их среднее значение для определения пикселя. Т.е. вы должны выбрать способ фильтрации:
· линейный (linear) мипмеппинг: выбирается два текселя один побольше, а другой поменьше
· билинейный (bilinear) мипмеппинг: выбираются 4 текселя из ближайшего уровня
· трилинейный (trilinear) мипмеппинг: выбираются все 8 текселей
Кстати, такое усреднение отнюдь не является простым, а скорее наоборот сложным: чем ближе тексель находится по отношению к пикселю, тем большее влияние на конечное значение усреднения он оказывает (и наоборот).
Получается, что трилинейный мипмеппинг это лучшее, что может быть?
Нет конечно. Видно, что проблема не только в соотношении размеров пикселя и текселя, но также и в форме каждого из них (или, что бы быть более точными, в соотношениях форм).
Метод mip-текстурирования лучше всего работает для полигонов расположенных прямо "лицом к лицу" к точке наблюдения. Объясняется это тем, что каждая версия mip-текстуры получается в результате сокращения в четыре раза набора текселей, составляющих текстуру с более высоким разрешением, для получения текстуры с более низким разрешением.
Однако, полигоны, косонаправленные по отношению к точке наблюдения искривляют накладываемую текстуру так, что на пикселы могут накладываться различного вида и квадратичные по форме области текстурного изображения. Метод mip-текстурирования не принимает это во внимание и в результате наблюдается эффект слишком сильного размытия текстурного изображения, так, будто использованы неправильно выбранные тексели. Для решения этой проблемы вы должны делать выборку из большего количества текселей, составляющих текстуру, и выбирать эти тексели следует принимая во внимание "отображенную" форму пикселя в текстурном пространстве. Эта техника называется "anisotropic filtering" (анизотропная фильтрация). Обычное mip-текстурирование называется "isotropic" (изотропное или однородное), потому что мы всегда фильтруем вместе квадратные области, состоящие из текселей. Анизотропная фильтрация означает, что форма области из текселей, которую мы используем меняется в зависимости от обстоятельств. Anisotropic: "an" = not (не); "iso" = uniform (постоянная); "tropic" = shape (форма).
Кстати, архитектура Talisman от Microsoft может в некоторой степени осуществлять анизотропную фильтрацию, таким образом обеспечивая несколько лучшее качество текстурированного изображения. Имеено эта архитектура легла в основу графического чипсета от Fujitsu -- Marqius 2000.
Заметим, что использование большего количества текселей при фильтрации требует соответствующего повышения пропускной способности текстурной памяти. Напомним так же, что все описанные выше вычисления должны выполняться для каждого пикселя из каждого прорисовываемого на экране полигона, или по меньшей мере для каждого пикселя в изображении.
Как видим, билинейная фильтрация выглядит несколько лучше, нежели Point Sampling. И всё же она очень далека от идеала.
Tri-Linear filtering
Tri-Linear filtering – трилинейная фильтрация, представляет собой симбиоз билинейной фильтрации и mip-текстурирования. Прежде чем говорить об алгоритме работы трилинейной фильтрации, давайте выясним, что такое МIP-текстурирование. MIP-текстурирование, или mip-mapping, – это метод уменьшения объёма вычислений, необходимых для точного наложения текстурного изображения на полигон. По сути, мипмеппинг выполняет те же задачи, что и Point Sampling, но делает это на порядок лучше. MIP-текстурирование призвано избавить нас от ухудшений изображений, когда несколько текселей накладываются на один пиксель.
Посмотрим на проблему глобальней и попробуем найти решение всему этому. Для того чтобы правильно вывести пиксель на экран, необходимо скомбинировать значения всех текселей, которые и будут накладываться на этот пиксель. Но пропускная способность памяти не бесконечна, а это огромнейший обьём работы, который неблагоприятно отразится на быстродействии вашей видеокарты. Mip-mapping способствует снижению объёмов этой работы. Метод MIP-текстурирования основан на генерации и хранении множества версий исходного текстурного изображения. Эти версии имеют большое количество разрешений, каждое из которых всё меньше и меньше исходного. Во время текстурирования пикселя вам достаточно выбрать версию текстурного изображения. В вашем распоряжении есть 4 близлежащих текселея из текстурного изображения, больших по размеру, чем пиксель, и столько же текселей, меньших по размеру, чем пиксель. По сути, mip-уровни представляют собой заранее рассчитанные, более маленькие версии исходной текстуры, из-за чего обеспечивается лучшая аппроксимация.
Итак, мы выяснили, что такое mip-mapping, теперь вернёмся к нашей трилинейной фильтрации. Как мы уже говорили, Tri-Linear filtering представляет собой симбиоз билинейной фильтрации и mip-текстурирования. По сути, билинейная фильтрация производится на двух mip-уровнях. А в итоге мы имеем 2 текселя, по одному для каждого mip-уровня. Цвет пикселя определяется при помощи интерполяции по цветам двух mip-текстур.
В итоге имеем несколько лучшее качество фильтрации, нежели у билинейной. Стоит отметить, что качество улучшается незначительно, а требования к ширине полосы пропускания памяти в сравнении с той же Bi-Linear Filtering удваиваются.
Anisotropic filtering
Выше мы уже выяснили, что для получения хороших результатов фильтрации недостаточно определять цвет по нескольким пикселям. Используя всего четыре пикселя для определения цвета, мы получаем искажённую картину, используем недостаточный обьём фильтрации или, выражаясь простым языком, совершаем сверхфильтрацию в одном месте нашего светового пятна и недостаточно фильтруем в другом. Добавьте сюда изменение формы светового пятна и то, что ни один из вышеизложенных алгоритмов фильтрации этого не учитывает.
Вполне очевидно – для того чтобы добиться лучшего качества, необходимо использовать все пиксели светового пятна с усреднённым значением. Существуют техники фильтрации, которые применяют от 16 до 32 текселей для определения цвета пикселя. Мы также должны учитывать тот факт, что форма светового пятна изменяется вместе с изменением положения полигона относительно точки наблюдения. Собственно говоря, этим и предлагает пользоваться анизотропная фильтрация.
Всё это, конечно, хорошо, но использование такого количества пикселей требует огромной пропускной способности памяти, поэтому анизотропная фильтрация более-менее сносно может функционировать лишь на мощных современных видеокартах.
Помимо всего этого, Anisotropic filtering предлагает задействовать разнообразные фильтры для аппроксимации формы светового пятна. Эти фильтры имеют форму эллипса для нескольких возможных углов положения полигона.
В видеорешениях, использующих тайловую (тайл, говоря простым языком, – участок изображения опредёленного размера, как правило, 32х32 пикселя) архитектуру, благодаря применению тайлов, существенно экономятся ресурсы полосы пропускания памяти, что позволяет использовать анизотропную фильтрацию без значимых потерь быстродействия. При помощи анизотропной фильтрации можно получить лучшее качество изображения. Оно достигается за счёт более точного представления текстур и улучшенной глубины детализации.
Уровень анизотропной фильтрации определяется числом текселей, которые обрабатываются при вычислении конечного пикселя. Современные графические решения позволяют выставить уровень фильтрации в драйвере. Самыми распространёнными уровнями фильтрации являются 2x (16 текселей), 4x (32 текселя), 8x (64 текселя) и 16x (128 текселей). Очевидно, что при повышении уровня анизотропной фильтрации нагрузка на полосу пропускания памяти также увеличивается, а это неминуемо сказывается на производительности.
Оптимизации анизотропной и трилинейной фильтраций сегодня
Компании-разработчики графических чипов ATI и NVIDIA всё время стараются выжать дополнительную производительность из своих продуктов. Что, в общем-то, очевидно и оправдано – конкуренцию между двумя гигантами-производителями графических процессоров никто не отменял. Для достижения своих целей вендоры применяют различные оптимизации, которые позволяют увеличить производительность графических решений. Однако зачастую оптимизации повышают производительность, но снижают качество картинки. Увы, но поговорка «сделать быстрей – не значит сделать лучше» очень часто актуальна для ситуации с различными оптимизациями ATI и NVIDIA.
Разработчики пытаются играть на всё тех же особенностях зрения человека и стараются повысить производительность за счёт слабозаметного ухудшения качества изображения. Возьмём, к примеру, брилинейную фильтрацию. Нет-нет, мы не оговорились, именно брилинейная фильтрация. Так сказать, новый вид, который появился благодаря упорным стараниям вендоров. Брилинейная фильтрация представляет собой смешанный режим фильтрации между билинейной и трилинейной – область, в которой граничат соседние mip-уровни, и которая, собственно говоря, подвергается трилинейной фильтрации, была уменьшена. Вследствие этого удалось поднять производительность, что вполне ожидаемо, ведь мы фильтруем гораздо меньше. При этом качество изображения становится хуже, однако ухудшение качества в данном случае явно оправдано, если учесть значительный выигрыш в производительности. Это отчётливо видно, если сравнивать изображения, полученные с помощью полной трилинейной фильтрации. Брилинейную фильтрацию впервые применила NVIDIA на своих видеокартах GeForce FX 5xxx Новые видеокарты GeForce 6xxx также используют брилинейную фильтрацию, однако компания NVIDIA после критики и различных дискуссий в многочисленных конференциях добавила возможность отключения оптимизации.
В недалёком прошлом продукты компании ATI славились более высоким качеством картинки, нежели таковые от NVIDIA. Однако с выходом графического процессора Radeon 9600 всё изменилось – последний, как и более новое решение Radeon X800, также использует брилинейную фильтрацию. Однако, в отличие от NVIDIA, ATI не соизволила не только объяснить процедуру фильтрации, но и не признала сам факт использования оптимизаций.
Компания ATI пошла на хитрость: драйверы переключаются на полную трилинейную фильтрацию при использовании цветных mip-текстур. Именно последние применяются в стандартных тестах качества, которые используют обозреватели и тестировщики.
Однако находчивые ребята с сайта Computerbase обнаружили, что в компьютерной игре «Call Of Duty» X800 даёт меньшую частоту кадров при использовании цветных mip-текстур. После чего обозреватели Computerbase провели сравнение качества изображения. Как оказалось, при применении обычных текстур Radeon X800 использует брилинейную фильтрацию. При употреблении цветных текстур в «Call Of Duty» (1600х1200) общий показатель FPS Radeon Х800 падает на 11-13 fps.
Самое интересное, что ATI заявляет об использовании полноценной трилинейной фильтрации и рекомендует тестировщикам отключать оптимизации у конкурентов для обеспечения честного сравнения.
В интервью популярному сайту Toms Hardware Guide компания ATI всячески уходила от конкретного ответа, утверждая, что X800 использует полноценную трилинейную фильтрацию. На этом оптимизации от компании ATI не заканчиваются. Так, продукты канадской фирмы ATI используют ещё один вид оптимизации, который называется «stage optimization» – оптимизацией ступени. Метод оптимизации основан на применении «трилинейной» (брилинейной) фильтрации только к первой ступени текстуры (0). Остальные ступени 1-7 фильтруются простым билинейным методом.
Стоит отметить, что во многих играх это не критично, поскольку верхние ступени текстур являются либо картами неровностей, либо картами освещения, для которых полноценная фильтрация не критична, поэтому ухудшения изображения вы попросту не заметите. Однако есть и исключения. Популярная компьютерная игра «Unreal Tournament» использует карты деталей с высоким разрешением на ступенях 1-7, поэтому потери в качестве неизбежны.
Также стоит оговориться, что эта оптимизация функционирует только при насильственном включении анизотропной фильтрации в драйверах вашей видеокарты. Если вы оставляете выбор приложению (by application), то обеспечивается полноценная «трилинейная» (брилинейная) фильтрация ко всем ступеням текстуры.
Компания NVIDIA также стала использовать эту оптимизацию, которая появилась в драйверах версии 51.xx для карт GeForce 5xxx.
Адаптивная анизотропная фильтрация – ещё одна вариация на тему оптимизаций. Её уже давно используют продукты компании ATI. NVIDIA также не отстаёт – в GeForce 6800 эта оптимизация частично реализована.
Алгоритм адаптивной анизотропной фильтрации заключается в том, что поверхности 3D-изображения получают различный уровень анизотропной фильтрации в точке наблюдения. Такой подход позволяет существенно экономить вычислительные ресурсы и тем самым значительно повышать общий fps.
Использование такого метода фильтрации оправданно. Представьте себе сцену из какой-нибудь компьютерной игры: скажем, ваш герой стоит лицом к стене. Фильтровать стену с уровнем анизотропной фильтрации 16х не имеет смысла, то есть картинка будет такой же, как и с 2х. Идея адаптивной анизотропной фильтрации очевидна: «сэкономь вычислительную мощность там, где это можно, дабы последняя не расходовалась впустую».
Вы вряд ли заметите существенное ухудшение качества от использования адаптивной анизотропной фильтрации, однако в некоторых сценах этот алгоритм немного грешит, то есть можно заметить определённую потерю качества.
Напоследок хотелось бы отметить, что вендорам было бы неплохо реализовать возможность отключения адаптивной анизотропной фильтрации.
Назначение
Изображение лучше всего выглядит, когда детализация текстуры близка к разрешению экрана. Если разрешение экрана высокое (текстура слишком маленькая/объект очень близко), получается размытое изображение. Если же разрешение текстуры слишком высокое (текстура слишком велика/объект очень далеко), получаем случайные пиксели - а значит, потерю мелких деталей, мерцание и большой процент промахов в кэш . Получается, что лучше иметь несколько текстур разной детализации и накладывать на объект ту, которая наиболее подходит в данной ситуации.
Принцип действия
Создаётся так называемая MIP-пирамида - последовательность текстур с разрешением от максимального до 1×1. Например: 1×1, 2×2, 4×4, 8×8, 16×16, 32×32, 64×64, 128×128, 256×256, 512×512 и 1024×1024. Каждая из этих текстур называется MIP-уровнем (англ. MIP level ) или уровнем детализации (англ. level of detail ).
На всех этих текстурах находится одно и то же изображение. Таким образом, MIP-текстурирование увеличивает расход видеопамяти на треть: .
При наложении текстур вычисляется расстояние до объекта, соответственно находится номер текстуры как , где resolution - разрешение виртуальной камеры (количество пикселей, которое будет в объекте размером в 1 ед., расположенном в 1 ед. от камеры), texelsize - размер текселя в единицах трёхмерного мира, dist - расстояние до объекта в тех же единицах, mip bias - число, позволяющее выбирать более или менее детальную текстуру, чем даёт формула. Эта цифра округляется до целого, и текстура с соответствующим номером (нулевая - самая детальная, первая - вдвое меньшая и т. д.) накладывается на объект.
Недостатки, способы решения
MIP-текстурирование не решает проблему текстур, находящихся под острым углом к зрителю (например, дорога в автосимуляторе). У таких текстур разрешение по одной оси сильно отличается от разрешения по другой - и, например, по оси X изображение явно размыто, в то время как по оси Y видны мерцания, свойственные завышенному разрешению текстуры. Есть сразу несколько способов решения этого (начиная с наименее качественного):
- Установить в видеодрайвере наиболее комфортное значение mip bias - числа́, которое отвечает за выбор номера текстуры в пирамиде. Если оно отрицательное, видеоплата берёт более детальные текстуры, если положительное - менее детальные.
- Многие игры сами устанавливают подходящий mip bias для разных типов объектов. Например, в Live for Speed mip bias устанавливается пользователем отдельно для автомобилей, препятствий и дороги.
- Воспользоваться анизотропной фильтрацией - методом текстурирования, который направлен именно на решение этой проблемы.
Наконец, видна чёткая граница между MIP-уровнями. Это решается трилинейной фильтрацией .
Ссылки
- Михаил Хабров Создание детальных текстур c помощью mip-map уровней в Direct3D8 . GameDev.ru (29 мая 2002 года). Архивировано из первоисточника 19 марта 2012. Проверено 12 июля 2009.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "MIP-текстурирование" в других словарях:
Главная текстура и её уменьшенные копии MIP текстурирование (англ. MIP mapping) метод текстурирования, использующий несколько копий одной текстуры с разной детализацией. Название происходит от лат. multum in parvo «много в одном». Содержание 1… … Википедия
Трилинейная фильтрация усовершенствованный вариант билинейной фильтрации. MIP текстурирование, повышая чёткость изображения и процент попаданий в кэш на дальних расстояниях, имеет серьёзный недостаток: ясно видны границы раздела между MIP… … Википедия
В разделе на вопрос ЧТО ТАКОЕ MIP-MAPPING! заданный автором лучший ответ это MIP MAPPING - это незаменимая в каждой игре вещь. Напрмер вы играете в игру - GTA. В далеке виднеются дома. Их текстуры размыты. Как только вы подойдёте ближе текстурки станут чётче. Это сделонно чтобы не нагружать процессор. Зачем делать тектуры домов чёткими, от которых вы далеко, если вы их всё равно не увидите!? !
Существует и другая вещь. Называется она LOD. Она работает также, как и m-mapping, только заменяет модели, а не текстуры. Заменяет на моделии где полигонов меньше, опятьже тем самым снижая нагрузку ЦП. Яркий тому пример игра: TES 4 Oblivion. Благодаря великолепной системе LOD и M-MAPPINGA эта игра илёт даже на слабых машинах - со слабыми процессормами, (только video карта нужна FX5200 или R9200). Также модели деревьемв заменяются на спрайты (плоские картиннки) .
А вот создатели Gothic 3 что-то поленились оптимизировать игру и она тормозит на всех, даже мощных машинах, хотя графика в этой игре не очень.
