Grafica 3D. meglio prestazioni o qualità?

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1 Grafica 3D meglio prestazioni o qualità? Di Michele Braga Cosa sono, come funzionano e come impattano sulle prestazioni gli effetti grafici quali l antialiasing e il filtro anisotropo che le schede applicano alle immagini per migliorarne la qualità visiva. Se guardiamo all evoluzione che ha interessato i giochi in questi ultimi anni è palese l impatto che i processori grafici hanno avuto sulle possibilità espressive degli sviluppatori. La tendenza è quella di rendere il mondo virtuale sempre più coinvolgente attraverso la ricerca del fotorealismo, l incremento dei dettagli e del numero degli oggetti presenti nella scena e lo sviluppo dell intelligenza artificiale. Tutto ciò richiede però un enorme NEL DVD GLI SCREENSHOT E LE PRESTAZIONI CON E SENZA FILTRI DI QUALITÀ potenza di calcolo, che deve essere bilanciata tra prestazioni velocistiche e resa finale dell immagine. Il risultato è quindi un compromesso che dipende da diversi fattori: risoluzione grafica, complessità delle geometrie, qualità delle texture, algoritmi per la fisica dei movimenti e molto altro ancora. L equilibrio tra tutti questi fattori deve essere ricercato tenendo conto di un limite ben definito che corrisponde a quella che in gergo viene 104

2 chiamata corretta fluidità d immagine, ovvero il passaggio tra un fotogramma e l altro deve essere tale che non si notino saltellamenti o scatti. Per fare questo è necessario assicurare la riproduzione di un numero minimo di fotogrammi al secondo: per l occhio umano sono necessari 25 fotogrammi al secondo (fps) per ottenere l effetto di continuità del movimento tra un immagine e l altra sfruttando l effetto di persistenza caratteristico dell occhio umano. Se nel cinema ciò è fatto stabilendo a priori il numero di fps, nella grafica 3D calcolata in tempo reale il valore degli fps dipende istante per istante dalla complessità della scena: poiché viene sempre utilizzata tutta la potenza di calcolo disponibile, una scena con pochi oggetti sarà calcolata in minor tempo di una complessa o in cui devono essere applicati effetti grafici particolari. Mentre nel mondo delle console, gli sviluppatori possono realizzare titoli altamente ottimizzati, grazie all esistenza di una piattaforma hardware chiusa e ben definita, nel mondo Pc la questione è completamente diversa. Per ottenere una fluidità sufficiente spesso è necessario sacrificare il dettaglio e la qualità dell immagine. Il problema che gli sviluppatori devono affrontare in questo caso è quello di trovare un compromesso che soddisfi le possibili configurazioni hardware in quanto queste forniranno, a parità di risoluzione impostata, diversi valori di fps. La soluzione più semplice è spesso quella di sacrificare la qualità finale riducendo il livello di dettaglio delle geometrie e delle texture, con l inevitabile insorgere di difetti di visualizzazione. Tuttavia l elevata potenza grafica oggi disponibile permette più che in passato di ottenere buone prestazioni velocistiche anche quando si applicano tecnologie dedicate all incremento della qualità dell immagine finale. In questo articolo vogliamo puntare il riflettore proprio su quest ultimo fattore e fornirvi gli elementi base per comprendere le principali problematiche legate agli artefatti video, alle tecnologie utilizzate per correggere tali difetti di visualizzazione e all impatto che queste ultime hanno sulle prestazioni. Anche se non siete esperti di grafica 3D avrete con molta probabilità già incontrato i termini antialiasing e filtro anisotropo (li trovate anche nei risultati dei nostri test); questi rappresentano due tecnologie avanzate che sono comunemente utilizzate per incrementare la qualità visiva nel campo della grafica tridimensionale, ma che spesso devo essere abilitate manualmente dall utente in quanto possono portare a un forte decadimento delle prestazioni, soprattutto se si dispone di una configurazione di fascia intermedia o, ancora, entry level. Per comprendere al meglio cosa si nasconde dietro queste tecnologie è necessario fare qualche passo indietro e cominciare questa nostra digressione dalle cause dei problemi di visualizzazione che i filtri di qualità cercano di risolvere. Dalla matematica all immagine Il primo punto chiave da tenere a mente quando si pensa alla grafica 3D è che il Pc e più in particolare il processore grafico lavorano su un modello geometrico descritto in forma matematica all interno di uno spazio tridimensionale. Ogni oggetto è descritto attraverso una serie di coordinate dei vertici del modello geometrico che lo rappresenta e da una corrispondenza con un set di texture che serve a rivestire il modello per conferirgli l aspetto desiderato in termini di colore, materiale e illuminazione. Per semplificare l elaborazione ogni oggetto geometrico, o meglio ogni faccia che lo compone, è descritto attraverso l elemento di superficie base, ovvero il triangolo; per questo motivo restringeremo ora la nostra spiegazione proprio a un singolo triangolo, tenendo presente che il discorso può essere esteso pensando alla scena 3D come a un insieme di elementi base dotati di caratteristiche proprie e correlati tra loro. Una volta stabilita la risoluzione operativa, la scheda grafica opera per costruire l immagine in base a questo parametro, ovvero a una griglia di campionamento che è dotata di un livello di precisione molto inferiore a quello con cui è descritta la geometria in forma matematica. Lo spazio tridimensionale all interno del quale è contenuto il nostro triangolo viene quindi proiettato su un piano che sarà fatto corrispondere allo schermo del monitor che rappresenta la nostra finestra sullo spazio 3D virtuale. Questo è il punto chiave in cui entra in gioco il problema relativo alla digitalizzazione dell immagine. Aliasing e antialiasing La matrice del monitor (risoluzione) è di tipo discreto, ovvero composta da un numero finito di elementi, questi ultimi dotati di dimensioni caratteristiche e a cui può essere assegnato un solo colore in ogni fotogramma. A questo punto il chip grafico deve stabilire a quale poligono della scena far corrispondere ogni singolo pixel del monitor. Questa fase di controllo porta a tre possibili risultati: considerando la proiezione di un singolo triangolo, un pixel può risultare completamente coperto (si trova all interno della proiezione), completamente scoperto (si trova all esterno della proiezione) oppure parzialmente coperto (viene attraversato da uno dei bordi della proiezione). Questo controllo permette di stabilire quali pixel assumeranno il colore del triangolo e quali no. Tuttavia per i 105

3 Ipotizzando di osservare da vicino la griglia dei pixel del monitor emerge come non sia possibile rendere in modo accurato un profilo lineare quando si dispone di una matrice di campionamento composta da elementi discreti. Il risultato che si ottiene è quindi un effetto scalino generato dall assegnazione del colore al pixel sulla base di un test di copertura dello stesso. L effetto dell antialiasing è di mascherare il difetto miscelando i colori dei pixel che interessano il profilo a scalino. pixel parzialmente coperti si pone il problema di stabilire se debbano essere considerati come appartenenti al triangolo oppure no. Le tecniche possibili consistono nel valutare se la proiezione ricopre per esempio il centro del pixel oppure di valutare la percentuale di copertura. In ogni caso è in questo stadio della creazione dell immagine che emerge l effetto di aliasing che consiste nella rappresentazione a scalino di linee e profili di tipo lineare (i bordi dei poligoni). Lo schema presente in questa pagina mostra proprio questo effetto, o meglio questo difetto nella visualizzazione. Il filtro antialiasing si prefigge quindi di addolcire la scalettatura delle linee e dei bordi obliqui in modo che a video appaiano più lineari e quindi più realistici. Antialiasing, tra supersampling e multisampling Sebbene esistano molte tecniche di antialiasing e vi sia una continua evoluzione delle stesse da parte delle industrie specializzate nello sviluppo di processori 3D, è possibile identificare due approcci fondamentali: il supersampling e il multisampling. Il supersampling, che corrisponde anche alla prima tecnica sviluppata in ordine temporale, consiste nel calcolare l immagine di partenza a una risoluzione superiore. Questa tecnica permette, durante la fase di scalatura verso il basso (downscaling), di avere a disposizione un maggior numero di informazioni che miscelate tra loro permettono di ottenere una maggiore qualità dell immagine finale. Si tratta di un approccio in stile forza bruta in quanto, senza alcun tipo di ottimizzazione, per ogni pixel da visualizzare sullo schermo devono essere generati ed elaborati più pixel, o meglio subpixel in quanto si tratta di valori temporanei utilizzati solo in fase di calcolo e non di visualizzazione. Il colore dei subpixel viene quindi combinato per determinare quello del pixel appartenente all immagine finale. Un esempio renderà molto più facile comprendere come opera il supersampling e il perché questo abbia un forte impatto sulle prestazioni. Supponiamo che il vostro schermo stia operando alla risoluzione di x pixel (può essere considerato lo standard odierno); applicando un supersampling 4X, ogni fotogramma sarà calcolato dalla scheda grafica alla risoluzione di x (quattro volte l immagine iniziale). In questo caso ogni pixel dà luogo a quattro subpixel che sono elaborati in modo indipendente, ovvero per ognuno di essi viene effettuato un rendering completo: lettura delle texture, applicazione dei pixel shader, illuminazione, ecc. In fase di ricomposizione dell immagine finale le informazioni di quattro subpixel adiacenti sono quindi miscelate tra loro in un unica informazione di colore. Se pensate che le schede grafiche di altissima fascia di oggi faticano a lavorare alla risoluzione di x senza filtri, è evidente come l utilizzo del supersampling 4x a x con una scheda di fascia interme- Allontanandosi dalla griglia, così come accade osservando il monitor da una certa distanza, l antialiasing (a sinistra) permette di ottenere un effetto visivo paragonabile a quello di un profilo lineare, garantendo una maggiore realisticità all immagine. A destra la stessa immagine non corretta dal filtro. 106

4 La tecnica del supersampling 4X (a sinistra) prevede la generazione di quattro subpixel (evidenziati dalla linea tratteggiata) per ogni pixel dell immagine originaria; per ciascuno dei subpixel viene letto il relativo colore sulla texture e vengono quindi applicati gli effetti di shading. Nel caso del multisampling 4X i subpixel coperti condividono le stesse informazioni così che il carico di lavoro risulta ridotto di diversi fattori. Nel caso i quattro subpixel contengano le medesime informazioni, il pixel finale sarà identico a quello dell immagine generata senza antialiasing, mentre per i pixel relativi ai bordi si otterrà un effetto di antialiasing paragonabile a quello del supersampling, ma con costo computazionale decisamente inferiore. Per il modo in cui opera, il multisampling viene anche considerato come antialiasing per i bordi. dia sia di fatto una strada impraticabile. L utilizzo del supersampling a pieno schermo è stato quindi abbandonato da tempo a favore di tecniche più selettive e intelligenti, in grado di fornire un livello di qualità paragonabile, ma con una richiesta computazionale inferiore. La tecnica sviluppata in alternativa al supersamplig è quella del multisampling che analizziamo prendendo in esame la sua applicazione in modalità 4X. Come nel caso del supersampling 4X, per ogni pixel dell immagine di partenza vengono generati quattro subpixel, ma il trucco consiste nel ridurre il lavoro fatto per il calcolo di questi ultimi. A differenza del supersampling do- ve ogni subpixel viene elaborato in modo indipendente dall altro, nel multisampling viene effettuata una sola lettura delle texture (texture lookup) in corrispondenza del pixel iniziale. I subpixel che vengono marcati come appartenenti al poligono in esame condivideranno la stessa informazione di colore, determinato proprio attraverso la lettura della texture, l applicazione dell illuminazione e dei pixel shader. Questo approccio permette di ridurre drasticamente il carico computazionale, in quanto la lettura e il trasferimento delle informazioni sulle texture rappresentano un collo di bottiglia a tutto il processo. Di fatto il multisampling 4X opera anch esso costruendo un immagine virtuale grande quattro volte quella di partenza, ma in questo caso utilizza meno risorse per realizzarla a scapito ovviamente del numero di informazioni contenute che saranno inferiori. In realtà saranno presenti informazioni ridondanti per i pixel completamente interni al poligono (i quattro subpixel corrisponderanno tutti tra loro), mentre troveremo un maggiore numero di informazioni sul bordo dei poligono dove alcuni subpixel saranno assegnati al poligono e altri no (questi ultimi saranno calcolati come appartenenti ai po- A B I due screenshot di Half-Life 2: Episode One sono stati ottenuti senza filtri di qualità (A) e abilitando l antialiasing di tipo adattivo 8X (B) che lavora sia sui bordi sia sulle texture con canale alpha attraverso la tecnica del supersampling. Nell immagine A la trama delle reti metalliche perde di qualità in base alla distanza e all angolazione, con un fastidioso difetto visivo quando i dettagli sono messi in risalto dalla sovrapposizione di zone particolarmente luminose. Inoltre strutture a tralici come quelle presenti in queste immagini risultano poco realistiche a cause dei contorni molto frastagliati. 108

5 L antialiasing serve a correggere l effetto scalino, ma richiede ingenti risorse di calcolo a scapitodelle prestazioni 3D. ligoni adiacenti). Questo significa che il multisampling permette di localizzare l incremento di informazioni solo in corrispondenza dei bordi dei poligoni, ovvero dove si manifesta l effetto scalino. Nel processo di scalatura i subpixel vengono mixati nello stesso modo in cui avviene per il supersampling fino a ottenere l immagine alla risoluzione di partenza. Per questa sua caratteristica intrinseca il multisampling viene anche identificato come l antialiasing limitato ai bordi. Questa non vuole essere una trattazione esaustiva di come funziona l intero processo di applicazione dell antialiasing, ma una spiegazione a grandi linee che permetta di comprendere la problematica dell effetto scalino e il tipo di approccio utilizzato per la sua correzione. Ogni produttore di chip grafici segue questa linea guida, ma implementa ottimizzazioni specifiche per alleggerire il carico di lavoro anche in base all architettura della propria Gpu. Nel corso di questi anni sono stati infatti sviluppati algoritmi sempre più raffinati e intelligenti che permettono di comprimere i dati in transito tra processore e memoria locale, di correggere effetti di distorsione del colore, di utilizzare subpixel localizzati secondo schemi personalizzati (griglie di campionamento ruotate in grado di migliorare l effetto dell antialiasing) e di applicare in modo selettivo il supersampling nelle zone dell immagine dove il multisampling non agisce, ovvero all interno dei poligoni. I limiti del multisampling emergono infatti quando le texture sono dotate di un canale alpha, cioè sono caratterizzate da zone con trasparenza (ad esempio texture che rappresentano griglie metalliche). Utilizzando il solo multisampling l immagine apparirà corretta sui bordi del poligono mentre la texture al suo interno risulterà sgranata lungo le linee fittizie della griglia metallica. Questo perché la trama della texture non corrisponde ad alcun profilo geometrico. Per sopperire a ciò, oltre all utilizzo di tecniche combinate di multisampling e supersampling, esistono filtri sviluppati in modo specifico per migliorare la qualità delle texture durante la loro rappresentazione.

6 I filtri sulle texture Se l antialiasing opera per migliorare la resa delle linee e dei bordi, i filtri sulle texture permettono di ottenere un migliore effetto visivo sulle superfici dei poligoni. L applicazione del supersampling a pieno schermo, oltre a correggere l effetto scalino, fornisce contemporaneamente un incremento della qualità visiva di tutta la scena, ma come abbiamo visto il suo costo computazionale è eccessivo, soprattutto se rapportato all incremento di qualità fornito rispetto a tecniche di antialiasing alternative. Come abbiamo accennato poco sopra il colore dei pixel viene determinato attraverso la lettura di una o più texture che il grafico 3D ha scelto e associato alle diverse parti dei modelli geometrici presenti nella scena per rendere l effetto dei materiali (legno, metallo, pelle, griglie, vetro ecc.) e dell illuminazione. Rispetto al passato le texture utilizzate nei giochi moderni utilizzano risoluzioni più elevate e possono contenere diversi tipi d informazioni (colore, normal map, ecc) che combinate tra loro attraverso l utilizzo degli shader programmabili contribuiscono a generare le caratteristiche del pixel finale. Poiché la dimensione e la forma delle proiezioni delle superfici sul piano di visualizzazione varia in base alla distanza e all angolo di inclinazione rispetto a quest ultimo, le texture devono essere adattate di volta in volta per calzare al meglio sul poligono e fornire così l effetto visivo desiderato. Pensate ad esempio di disporre di una texture quadrata con dimensioni 256 x 256 pixel e di doverla applicare su un quadrato che mano a mano si allontana dal punto di vista dell osservatore: le dimensioni del quadrato si riducono a ogni istante e la texture che lo ricopre deve essere adeguata di conseguenza per permettere la lettura delle informazioni durante il texture lookup. 256x256 Tale processo richiede, ovviamente, risorse e cicli di calcolo che sono sempre preziosi al fine di mantenere un buon livello delle prestazioni. Mipmap Un espediente utilizzato normalmente per velocizzare la fase di scalatura delle texture, processo che introduce artefatti e difetti dovuti alla compressione delle informazioni, consiste nell utilizzo delle mipmap. Quando i poligoni sono molto piccoli perché si trovano lontano dal punto di vista dell osservatore è troppo dispendioso utilizzare la texture in formato originale per generare in tempo reale quella delle dimen x1 4x4 2x2 32x32 128x128 64x64 8x8 16x16 Ecco come si presenta una mipmap dove la texture originale (256 x 256) è affiancata da versioni scalate. Nella fase di rendering viene presa quella delle dimensioni più vicine a quelle della superficie da coprire. I filtri di qualità sfruttano le informazioni di più livelli per incrementare la qualità finale. Il filtro anisotropo permette un campionamento selettivo della texture nella direzione di deformazione. sioni corrette che sarà poi utilizzata per colorare una piccola porzione dello schermo. Il termine mipmap, composto dall acronimo mip (multum in parvo, molte cose in poco spazio) e map, identifica una texture in cui l immagine originale è accompagnata da versioni ridotte precalcolate (livelli di mipmap) utilizzate per velocizzare il processo di rendering. Durante questa fase la texture viene scalata prendendo come riferimento, all interno dei livelli di mipmap, quello con le dimensioni più prossime alla superficie da rivestire. Il processore grafico deve comunque effettuare un adeguamento della texture, ma avendo a disposizione più versioni di quest ultima potrà scegliere quella che comporta il minor carico computazionale. Inoltre i livelli mipmap sono precalcolati utilizzando complessi filtri di qualità che permettono di conservare al meglio l aspetto della texture originale. Sebbene la tecnica del mipmapping permetta di risparmiare risorse preziose e di limitare l introduzione di difetti di visualizzazione, questi ultimi sono comunque pre-

7 A L immagine a dimensioni piene è ottenuta senza l applicazione dei filtri antialiasing e anisotropo. Il primo zoom (A) mostra la zona in cui sono più evidenti i difetti di scalettatura e di perdita di dettaglio delle texture a causa di una non sufficiente frequenza di campionamento. Il secondo zoom (B) mostra il risultato ottenuto abilitando il filtro anisotropo 8X. È lampante la maggiore qualità offerta al crescere della profondità di campo e sulle superfici oblique sia che si trovino vicino al punto di osservazione sia in lontananza. Il terzo zoom (C) è ottenuto con il filtro anisotropo 8X e con quello multisampling 4X che permette di eliminare i difetti sugli spigoli degli oggetti presenti nella scena. B senti su poligoni con piccoli angoli d inclinazione e anche quando vengono affiancati tra loro diversi livelli di mipmap di una stessa texture (tipicamente nella rappresentazione di un pavimento che si allontana dall osservatore). Per ovviare a questi difetti sono stati sviluppati algoritmi specifici che utilizzando letture multiple delle informazioni sulle texture, un po come avviene nell antialiasing in cui vengono generati più campioni per un singolo pixel. Analizziamo quindi a grandi linee quelle che sono le principali tecniche di filtraggio delle informazioni presenti nelle texture. Point Sampling Il campionamento puntuale è il sistema più semplice per il calcolo del colore di un pixel in quanto viene prelevata una sola informazione in corrispondenza delle coordinate di un punto sulla texture. Questa tecnica particolarmente economica dal punto di vista prestazionale non è in grado di restituire una qualità C soddisfacente in quanto determina un calo di qualità sia su oggetti con superfici oblique sia sulla profondità di campo. Di fatto questa tecnica non viene mai utilizzata in quanto porta troppo disomogeneità nella qualità dei rivestimenti delle superfici all interno dell immagine. Bilinear Filtering (filtro bilineare) Il passo successivo è di utilizzare un filtro bilineare che per il calcolo del colore media le informazioni relative al colore dei punti che si trovano attorno alla coordinata principale di campionamento. Le texture hanno una risoluzione e sono caratterizzate da un numero di punti verticali e orizzontali. Il point sampling prende l informazione di un singolo punto, mentre il filtro bilineare campiona quattro punti attorno alla coordinata principale operando all interno di un singolo livello di mipmapping. L effetto del filtro bilineare è quello di migliorare la qualità rispetto alla profondità di campo, 112

8 ma non elimina il difetto visibile quando su superfici adiacenti vengono utilizzatidiversi livelli di mipmap. Trilinear Filtering (filtro trilineare) Il filtro trilineare può essere considerato come un evoluzione naturale di quello bilineare dove la terza dimensione identifica l impiego di due livelli di mipmap adiacenti per generare l informazione finale. In pratica il filtro trilineare consiste nell applicare quello bilineare a due livelli di mipmap; i due valori così ottenuti vengono fusi per calcolare il valore da utilizzare nella fase di rendering. Grazie all impiego di 8 campioni della texture, prelevati su diversi livelli di mipmap l effetto finale è quello di una migliore resa visiva al crescere della profondità di campo e anche di una maggiore omogeneità della superficie nei punti in cui vengono sostituiti i livelli di mipmap utilizzati. Questo ovviamente è dovuto al fatto che le informazioni finali sono generate in partenza con diversi livelli di mipmap. Anisotropic filtering (filtro anisotropo) L aggettivo isotropo viene utilizzato per indicare un qualcosa che risulta omogeneo in tutte le direzioni. Con il termine anisotropo (anti isotropo) ci si riferisce quindi a qualcosa che ha caratteristiche dipendenti dalla direzione. Nel nostro caso il filtro anisotropo identifica una tecnica il cui scopo è rendere al meglio la qualità delle texture quando devono essere applicate su superfici che, a causa della prospettiva di visualizzazione, risultano deformate (un quadrato in prospettiva apparirà ad esempio come un trapezio). Questo algoritmo utilizza un numero di campioni variabile e posizionato secondo schemi diversi a A confronto i due pannelli di controllo dei driver Nvidia e AMD presenti nelle ultime versioni dei driver Forceware e Catalyst per Windows Vista a 32 bit. Entrambe le soluzioni forniscono diverse possibilità di impostazione che possono bypassare le impostazioni dell applicazione (il gioco nel nostro caso) per sfruttare modalità di filtraggio avanzate proprietarie del produttore del chip grafico. seconda dell angolo che la superficie in oggetto ha rispetto al punto dell osservatore e quindi in base alla direzione; contrariamente i filtri bilineare e trilineare possono essere considerati filtri isotropi in quanto i campioni sono in numero e posizione fisse. In generale possiamo dire che più piccolo è l angolo (misurato rispetto alla normale del piano di visualizzazione) maggiore sarà la deformazione della superficie e maggiore il numero di campioni necessari per correggere l aspetto della texture. Ciò deriva dal fatto che a piccoli angoli di incidenza un singolo pixel può corrispondere a un area in cui sono contenute diverse informazione della texture. Per comprendere questo concetto immaginate di proiettare un fascio di luce su una superficie: se questa è ortogonale al fascio luminoso, quest ultimo illuminerà una zona circolare che potremmo far corrispondere a un singolo punto della nostra texture. Modificando l angolo di incidenza la zona illuminata si espanderà e assumerà una forma ellittica, ovvero coprirà un area maggiore che potremmo far corrispondere a un maggior numero di punti della texture. A questo punto diventa evidente come la scelta del campione di colore della texture diventa un fattore critico per determinarne la corretta visualizzazione a video. Grazie all impiego di una griglia con molti punti di campionamento posti in modo apparentemente disorganizzato si ottiene un risultato che migliora la qualità generale sia in base alla profondità di campo sia in base all inclinazione delle superfici e agli stacchi tra i diversi livelli di mipmap. In passato, poiché il carico del filtro anisotropo risulta di molto superiore a quello del filtro trilineare, le case produttrici di chip grafici limitavano la sua applicazione a precisi angoli di inclinazione, tipicamente quelli maggiormente utilizzati nei giochi. L incremento nel dettaglio delle geometrie impiegate nei giochi ha spinto all utilizzo di un filtro anisotropo indipendente dall angolo. L effetto visivo è evidente se considerate scene in cui sono presenti terreni o pavimenti che si allontanano dal punto di osservazione come può accadere in gio- 114

9 chi che mostrano paesaggi all aperto (Rpg o simulatori di volo). Il giusto mix Oggi, con la potenza di calcolo disponibile, la combinazione più diffusa dei filtri che abbiamo descritto è quella del multisampling 4X abbinato a un filtro anisotropo 8X. Al di sopra di queste impostazioni il carico computazionale ha un impatto troppo marcato sulle prestazioni e i benefici che si ottengono a livello visivo non sono così evidenti come quelli osservabili rispetto all applicazione di un multisampling 2X e di un anisotropo 4X. In questo articolo abbiamo voluto fornirvi gli elementi di base per comprendere cosa si cela dietro alle principali tecnologie dedicate all incremento della qualità visiva nel campo della grafica 3D. In realtà la continua evoluzione a portato all utilizzo di filtri intelligenti e ibridi, spesso ottimizzati sulla base dell architettura del processore grafico. Per esempio citiamo il temporal antialiasing sviluppato da ATI che alterna due diverse mappe di campionamento nel passaggio da un fotogramma all altro; sfruttando l effetto di persistenza della retina umana questo porta alla sensazione visiva di un immagine generata con un livello di antialiasing superiore. Chi dispone invece di due acceleratori grafici che operano in modalità parallela (Sli di Nvidia o Crossfire di ATI) può utilizzare le due schede per lavorare sullo stesso fotogramma con due matrici di campionamento diverso: il risultato è che a parità delle prestazioni di una singola scheda si ottiene un immagine con una qualità doppia. Qualità e prestazioni: l eterna lotta Chi gioca con il Pc conosce più di ogni altro utente come sia critica la scelta di quali impostazioni di qualità applicare poiché queste sono legate in modo inversamente proporzionale alle prestazioni e alla fluidità ottenibili. Il primo parametro d influenza è la risoluzione: più è alta, maggiore è la potenza di calcolo necessaria per ottenere prestazioni adeguate a giocare anche senza l applicazione di effetti di qualità. Ciò accade perché al crescere della risoluzione aumenta il numero dei pixel che devono essere calcolati per ogni fotogramma; il beneficio che si ottiene è un incremento dei dettagli, una maggiore linearità dei bordi e una maggiore qualità nella trama delle texture. Tuttavia anche a risoluzione elevate come x gli effetti di aliasing e di sfocatura dei dettagli delle texture è ancora evidente, soprattutto nei giochi dove sono presenti molti particolari come oggetti sottili, fili, griglie. Purtroppo non esiste una ricetta ben definita su come impostare tutti i parametri messi a disposizione sia dal gioco sia dal driver della scheda grafica. I primi consentono di modificare il livello di dettaglio in partenza in quanto agiscono sui dati in ingresso alla scheda grafica (livello dei particolari delle geometrie, qualità Alle risoluzioni più elevate diventa necessario l utilizzo di due schede grafiche. degli shader applicati, qualità delle texture impiegate e molto altro ancora). I parametri del driver grafico permettono invece di lavorare sulla fase di correzione dell immagine fornendo accesso alle diverse tipologie di antialiasing disponibili (multisampling semplice, adattivo con correzione delle trasparenze ecc.) e alla profondità con cui devono essere applicati, ovvero al numero di campioni da utilizzare. La ricerca del giusto equilibrio è quindi demandata all utente in base all hardware di cui dispone e in base alla tipologia di gioco che utilizza. La conoscenza delle problematiche legate alla visualizzazione di scenari 3D e delle tecnologie qui descritte permette di comprendere meglio il comportamento delle schede grafiche nelle diverse situazioni operative. Inolte sarà più semplice scegliere il prodotto più adattao alle proprie esigenze quando ci si appresta a un aggiornamento o all acquisto di una nuova configurazione Pc. Una scheda grafica di fascia altissima da oltre 500 euro sarà quindi inutile se utilizzate un vecchio monitor con risoluzione massima a x 768 punti in quanto fareste meglio a distribuire il vostro budget per l acquisto di un monitor con una risoluzione superiore e in una scheda grafica di fascia medio alta che vi permetta di abilitare le più diffuse impostazioni di qualità. Se invece volete utilizzare uno dei più moderni pannelli panoramici come quello da 30 pollici con risoluzione di x che utilizziamo per le nostre prove, sarete già consapevoli che la migliore delle schede grafiche in circolazione sarà la scelta minima che potete considerare per giocare in 3D; in questo caso la migliore soluzione disponibile è quella di configurazioni a doppia scheda grafica, che in alcuni casi può comunque risultare appena sufficiente spingendo la qualità visiva al massimo. 116

10 I risultati della prova Al di là dell aspetto teorico e del giudizio soggettivo di quale possa essere considerato un buon livello della qualità dell immagine, la prova sul campo con applicativi reali rimane lo strumento insostituibile per misurare e comprendere come prestazioni e qualità siano strettamente legate tra loro. Abbiamo quindi eseguito una serie di prove con F.E.A.R. (patch 1.0.8) in cui abbiamo abilitato separatamente i filtri anisotropo e antialiasing per verificarne l impatto sulle prestazioni al crescere della risoluzione e quindi al crescere del numero di pixel sul quale devono essere applicati gli algoritmi di calcolo. Abbiamo utilizzato una piattaforma con processore Intel Q6600, 2 GByte di memoria Ddr 2 a 800 MHz e una scheda grafica AMD Radeon HD 2900 XT. Nella prova con i filtri sulle texture emerge l elevata ottimizzazione delle moderne architetture grafiche nel campionamento multiplo delle texture. Completamente differenti sono i risultati relativi all applicazione del solo filtro antialiasing. Come prevedibile la prestazioni decadono in modo evidente al crescere del numero di campioni utilizzati e della risoluzione impiegata. Applicando il multisampling 4X le prestazioni possono crollare anche del 50%; oltre il multisampling 4X si osserva un calo ancora più marcato, senza che di fatto venga raggiunto un incremento di qualità tale da giustificarne l utilizzo a fronte della perdita di velocità di rendering. Combinando i filtri anisotropo e antialiasing si osserva uno scostamento in negativo rispetto al profilo del grafico ottenuto con il solo utilizzo dell antialiasing. Tenuto conto dell aspetto prestazionale e del giudizio visivo, la combinazione migliore risulta essere quella ottenuta applicando un multisampling 4X (con l opzione per la gestione delle texture dotate di trasparenza) e un filtro anisotropo 8X. Poiché si può avere anche il 50% in meno nella produzione di fotogrammi al secondo, è consigliabile scegliere una scheda grafica in grado di elaborare tra gli 80 e i 100 fps alla risoluzione che utilizza il monitor. Ciò garantisce il margine minimo per poter applicare gli effetti senza determinare una costante perdita di fluidità. La combinazione più usata X x x x x x 1600 Impatto del filtro antialiasing Nessun antialiasing Solo filtro anisotropo 8X Solo multisampling 4X (4 samples) MSAA 4X e AN 8X Nessun antialiasing Multisampling 2X (2 samples) Multisampling 4X (4 samples) Multisampling 8X (16 samples) 800 X x x x x x 1600 Impatto del filtraggio sulle texture Filtro bilineare Filtro trilineare Filtro anisotropo 4X Filtro anisotropo 8X Filtro anisotropo 16X 800 X x x x x x