Anisotrope Filterung: Entschlüsselung der visuellen Komplexität in der Computer Vision

Von Fouad Sabry

Was ist anisotrope Filterung

Anisotrope Filterung ist eine Technik, die in dreidimensionalen Computergrafiken verwendet wird und dazu dient, die Bildqualität von Texturen auf Oberflächen von Computergrafiken zu verbessern in schrägen Blickwinkeln zur Kamera betrachtet werden. Diese Technik ist besonders nützlich in Situationen, in denen die Projektion der Textur nicht orthogonal zu sein scheint.

Wie Sie profitieren

(I) Einblicke, und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: Anisotrope Filterung

Kapitel 2: Texture Mapping

Kapitel 3: Texture Filterung

Kapitel 4: Mipmap

Kapitel 5: Supersampling

Kapitel 6: Räumliches Anti-Aliasing

Kapitel 7: Beleuchtung pro Pixel

Kapitel 8: Rendering (Computergrafik)

Kapitel 9: Texturkomprimierung

Kapitel 10: Anti-Aliasing

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zu Anisotropie Filtern.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung der anisotropen Filterung in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über Grundkenntnisse oder Informationen für jede Art von anisotroper Filterung hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 4. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Anisotrope Filterung

In der 3D-Computergrafik ist die anisotrope Filterung (abgekürzt AF) eine Technik zur Verbesserung der Bildqualität von Texturen auf Oberflächen bei schrägen Betrachtungswinkeln in Bezug auf die Kamera, bei der die Projektion der Textur (und nicht des Polygons oder eines anderen Primitivs, auf dem sie gerendert wird) nicht-orthogonal erscheint (daher der Ursprung des Wortes: an für nicht,  iso für dasselbe, und tropisch von tropism, in Bezug auf die Richtung; anisotrope Filterung filtert nicht in jede Richtung gleich).

Ähnlich wie bei der bilinearen und trilinearen Filterung reduziert die anisotrope Filterung Aliasing-Effekte, übertrifft sie jedoch, indem sie Unschärfe minimiert und Details bei hohen Betrachtungswinkeln beibehält.

Anisotrope Filterung ist relativ teuer (hauptsächlich Speicherbandbreite und in geringerem Maße rechnerisch, obwohl die typischen Regeln für den Raum-Zeit-Kompromiss gelten) und war daher bis in die späten 1990er Jahre kein Standardmerkmal von Grafikkarten für Endverbraucher. Die anisotrope Filterung ist in aktueller Grafikhardware (und Videotreibersoftware) immer weiter verbreitet und kann vom Benutzer über Treibereinstellungen oder von Grafikanwendungen und Videospielen über Programmierschnittstellen aktiviert werden.

Es wird erwartet, dass der Leser an dieser Stelle mit der MIP-Zuordnung vertraut ist.

Wenn wir einen anisotropen Algorithmus mit näherer Annäherung untersuchen würden, würden wir Folgendes finden: RIP-Mapping, als Fortsetzung des MIP-Mappings, Wir können verstehen, wie anisotrope Filterung das Textur-Mapping so signifikant verbessert.

Wenn wir eine horizontale Ebene in einem schrägen Winkel zur Kamera texturieren müssen, müssen wir die Textur drehen. Aufgrund eines Abfalls der Bildfrequenz entlang der vertikalen Achse würde die standardmäßige MIP-Map-Minimierung zu einer unzureichenden horizontalen Auflösung führen.

Dies liegt daran, dass jede MIP-Ebene beim MIP-Mapping isotrop ist, so dass eine 256 × 256 Textur auf ein 128 × 128 Bild verkleinert wird, dann auf ein 64 × 64 Bild und so weiter. Folglich halbiert sich die Auflösung auf jeder Achse gleichzeitig. Folglich wird eine MIP-Map-Textursonde für ein Bild immer ein Bild mit identischer Frequenz entlang aller Achsen abtasten.

So werden während des Samplings, um hochfrequentes Achsen-Aliasing zu verhindern, auch die anderen Texturachsen heruntergerechnet und möglicherweise verwischt.

Bei der anisotropen Filterung von MIP-Karten werden neben dem Downsampling auf 128 × 128 auch Bilder auf 256 × 128 und 32 × 128 usw. abgetastet.

Diese anisotrop heruntergesampelten Bilder können untersucht werden, wenn die Häufigkeit des Textur-Mapping-Bildes entlang jeder Texturachse variiert.

Daher wird eine Achse nicht von der Bildschirmfrequenz der anderen Achse beeinflusst, und Aliasing wird weiterhin vermieden.

Im Gegensatz zur allgemeineren anisotropen Filterung ist das als Beispiel angegebene MIP-Mapping insofern eingeschränkt, als es nur achsenausgerichtete anisotrope Sonden im Texturraum unterstützt. Folglich bleibt die diagonale Anisotropie ein Problem. Trotz der Tatsache, dass solche Screenspace-Mappings typischerweise in realen Anwendungen anisotroper Textur zu sehen sind, ist dies nicht immer der Fall.

Das MIP-Mapping und die damit verbundenen achsenorientierten Einschränkungen machen es schlecht für eine echte anisotrope Filterung. Es wird hier nur zu Demonstrationszwecken verwendet, da Implementierungen ihre eigenen Lösungen frei wählen können. Die vollständig anisotrope Implementierung wird im Folgenden ausführlich erläutert.

Im allgemeinen Sprachgebrauch bewahrt die anisotrope Filterung die Schärfe einer Textur, die in der Regel verloren geht, wenn eine MIP-Map-Textur versucht, Aliasing zu verhindern. Es kann daher festgestellt werden, dass die anisotrope Filterung scharfe Texturdetails in allen Betrachtungsrichtungen bewahrt und gleichzeitig eine schnelle Anti-Aliasing-Texturfilterung bietet.

Während des Renderings können mehrere Grade oder Verhältnisse der anisotropen Filterung durchgeführt werden, und aktuelle Hardware-Rendering-Implementierungen bieten eine Obergrenze für dieses Verhältnis.

In der Praxis bedeutet dies, dass ein 4:1-Filter in sehr schrägen Texturierungsszenarien doppelt so scharf ist wie ein 2:1-Filter (er zeigt Frequenzen an, die doppelt so hoch sind wie die des 2:1-Filters). Für den Großteil der Szene ist jedoch kein 4:1-Filter erforderlich. Nur die Pixel, die schräger und damit weiter entfernt sind, benötigen den schärferen Filter. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Verdoppelung des Grades der anisotropen Filterung die Erträge in Bezug auf die wahrgenommene Qualität abnehmen, da immer weniger gerenderte Pixel betroffen sind und die Ergebnisse für den Benutzer weniger offensichtlich werden.

Vergleicht man die gerenderten Ergebnisse einer anisotrop gefilterten 8:1-Szene mit denen einer anisotrop gefilterten 16:1-Szene, so zeigen nur wenige stark schräge Pixel, vor allem bei weiter entfernter Geometrie, sichtbar schärfere Texturen in der Szene mit dem höheren Grad der anisotropen Filterung an, und die Frequenzinformationen auf diesen wenigen 16:1-Filterpixeln sind nur doppelt so hoch wie die des 8:1-Filters. Die Leistungseinbußen verringern sich ebenfalls, da weniger Pixel Datenabrufe erfordern, wenn die Anisotropie erhöht wird.

Die Obergrenze für die anisotrope Qualität eines Hardware-Designs wird letztendlich durch die erhöhte Hardware-Komplexität im Vergleich zu diesen abnehmenden Belohnungen bestimmt. Benutzer und Anwendungen können diesen Kompromiss dann durch Treiber- und Softwarekonfigurationen bis zu diesem Schwellenwert ändern.

Bei der echten anisotropen Filterung wird die Textur anisotrop, Pixel für Pixel, auf jede Ausrichtung der Anisotropie untersucht.

Wenn eine Textur anisotrop in Grafikhardware abgetastet wird, werden in der