🧘🏼 😚 🦓 3D गेम रेंडरिंग कैसे काम करता है: टेक्सचरिंग और टेक्सचर फ़िल्टरिंग 🤙🏾 🧘🏼 🐌

3 डी गेम में रेंडरिंग पर तीसरे लेख में, हम यह पता लगाएंगे कि शीर्ष प्रसंस्करण और दृश्य को तेज करने के बाद 3 डी दुनिया का क्या होता है। टेक्सचरिंग प्रतिपादन के सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक है, इस तथ्य के बावजूद कि यह केवल बहुरंगी ब्लॉकों के दो-आयामी ग्रिड के रंगों की गणना करता है और बदलता है।

आधुनिक खेलों में अधिकांश दृश्य प्रभाव बनावट के जानबूझकर उपयोग को उबालते हैं - उनके बिना, खेल उबाऊ और बेजान प्रतीत होंगे। तो आइए देखें कि यह सब कैसे काम करता है!

भाग 1: वर्टेक्स प्रसंस्करण

भाग 2: रेखांकन और किरण अनुरेखण

एक सरल से शुरू करते हैं

आप पिछले एक साल में जारी किए गए किसी भी तीन-आयामी सबसे अधिक बिकने वाले खेल ले सकते हैं, और विश्वास के साथ कह सकते हैं कि उन सभी में कुछ न कुछ है: वे बनावट के नक्शे (या सिर्फ बनावट ) का उपयोग करते हैं। यह एक सामान्य शब्द है कि जब बनावट के बारे में सोचते हैं, तो ज्यादातर लोग एक ही तस्वीर पेश करते हैं: एक साधारण सपाट वर्ग या आयताकार जिसमें एक सतह (घास, पत्थर, धातु, कपड़े, चेहरे, आदि) की छवि होती है।

लेकिन जब जटिल गणनाओं का उपयोग करके उपयोग और संयुक्त किया जाता है, तो एक 3 डी दृश्य में ऐसी सरल छवियां आश्चर्यजनक रूप से यथार्थवादी चित्र बना सकती हैं। यह समझना संभव है कि यह कैसे संभव है, चलो उन्हें पूरी तरह से बंद कर दें और देखें कि बिना बनावट के 3 डी दुनिया की वस्तुएं कैसे दिखेंगी।

जैसा कि हमने पिछले लेखों से देखा था, 3D दुनिया वर्टिकल से बनी है - सरल आकृतियाँ जो चलती हैं और फिर रंग बनाती हैं। फिर उनका उपयोग प्रिमिटिव बनाने के लिए किया जाता है, जो बदले में पिक्सल के द्वि-आयामी ग्रिड में संकुचित होते हैं। चूंकि हम बनावट का उपयोग नहीं करेंगे, इसलिए हमें इन पिक्सेल को रंगीन करना होगा।

लागू होने वाले तरीकों में से एक को फ्लैट शेडिंग कहा जाता है : आदिम के पहले शीर्ष का रंग लिया जाता है, और फिर यह रंग रेखापुंज में आकृति द्वारा कवर किए गए सभी पिक्सेल पर लागू होता है। यह कुछ इस तरह दिखता है:

जाहिर है, केतली अवास्तविक दिखती है, और अनियमित सतह के रंगों के कारण कम से कम नहीं। रंग एक स्तर से दूसरे स्तर पर कूदते हैं, कोई सहज संक्रमण नहीं होता है। समस्या का एक समाधान गौर्ड शेडिंग का उपयोग करना हो सकता है ।

इस प्रक्रिया में, शीर्षों के रंगों को लिया जाता है, जिसके बाद त्रिकोण की सतह के साथ रंग परिवर्तन की गणना की जाती है। इसके लिए, रैखिक प्रक्षेप का उपयोग किया जाता है । यह जटिल लगता है, लेकिन वास्तव में इसका मतलब है कि यदि, उदाहरण के लिए, आदिम के एक तरफ का रंग 0.2 लाल और दूसरे 0.8 लाल है, तो आकृति के मध्य में 0.2 और 0.8 (यानी 0.5) के बीच का रंग होगा।

यह प्रक्रिया काफी सरल है, और यह इसका मुख्य लाभ है, क्योंकि सादगी का मतलब गति है। कई पुराने 3D गेम्स ने इस तकनीक का उपयोग किया क्योंकि कंप्यूटिंग उपकरण इसकी क्षमताओं में सीमित थे।

गौराड छायांकन (अंतिम काल्पनिक सातवीं, 1997) की सभी भव्यता में बैरेट और क्लाउड

लेकिन यहां तक कि इस तरह के समाधान में भी समस्याएं हैं - यदि प्रकाश त्रिकोण के बीच में ठीक से गिरता है, तो इसके कोने (और कोने) इस संपत्ति को व्यक्त नहीं कर सकते हैं। इसका मतलब है कि प्रकाश द्वारा बनाई गई चमक पूरी तरह से खो सकती है।

यद्यपि गौरो के फ्लैट शेडिंग और शेडिंग ने रेंडरिंग टूल्स में अपना सही स्थान ले लिया है, ऊपर दिखाए गए उदाहरण बनावट में वृद्धि के लिए स्पष्ट उम्मीदवार हैं। और अच्छी तरह से समझने के लिए कि बनावट सतह पर सुपरिंपोज होने पर क्या होता है, हम समय पर वापस चले जाएंगे ... पहले से ही 1996 में।

खेल और संक्षिप्त में GPU इतिहास

लगभग 23 साल पहले, आईडी सॉफ्टवेयर ने क्वेक जारी किया, और यह एक प्रमुख मील का पत्थर बन गया। हालांकि यह 3 डी बहुभुज और बनावट का उपयोग करने वाला पहला गेम नहीं था, लेकिन यह निश्चित रूप से प्रभावी ढंग से उपयोग करने वाले पहले में से एक था।

लेकिन वह भी कुछ और ही था - वह पता चला है क्या OpenGL का उपयोग (यह ग्राफिक्स एपीआई तो पहले संस्करण स्थिति में था) किया जा सकता है, और यह भी एक बहुत की तरह ग्राफिक्स कार्ड की पहली पीढ़ी की मदद की गायन Verite और 3DFX वूडू ।

प्रकाश चोटियों और सरल बनावट। क्लीन 1996, क्लीन क्वेक।

आधुनिक मानकों के अनुसार, वूडू बेहद सरल था: कोई 2 डी ग्राफिक्स समर्थन, कोई वर्टेक्स प्रसंस्करण, केवल सबसे सरल पिक्सेल प्रसंस्करण। हालांकि, वह सुंदर थी:

चित्र: वीजीए म्यूजियम में

एक बनावट से पिक्सेल पाने के लिए उसके पास एक पूरी चिप (टीएमयू) थी और बाद में इसे एक रेखीय पिक्सेल के साथ मिलाने के लिए दूसरी चिप (एफबीआई) थी। नक्शा अतिरिक्त प्रक्रियाओं के एक जोड़े को ले जा सकता है, उदाहरण के लिए, कोहरे या पारदर्शिता के प्रभाव को लागू करना, लेकिन यह, संक्षेप में, इसकी क्षमताएं समाप्त हो गईं।

यदि हम ग्राफिक्स कार्ड की संरचना और संचालन में अंतर्निहित वास्तुकला को देखते हैं, तो हम देखेंगे कि ये प्रक्रियाएं कैसे काम करती हैं।

3Dfx विनिर्देशन। स्रोत: फाल्कनफ़ायर सेंट्रल

एफबीआई चिप को दो रंग मान मिले और उन्हें मिलाया; उनमें से एक बनावट से एक मूल्य हो सकता है। मिश्रण प्रक्रिया गणितीय रूप से काफी सरल है, लेकिन जो मिलाया जाता है उसके आधार पर थोड़ा भिन्न होता है और निर्देशों को निष्पादित करने के लिए किस एपीआई का उपयोग किया जाता है।

यदि आप यह देखते हैं कि Direct3D फ़ंक्शन और मिक्सिंग ऑपरेशंस के संबंध में हमें क्या प्रदान करता है , तो हम देखेंगे कि प्रत्येक पिक्सेल को पहले 0.0 से 1.0 तक की संख्या से गुणा किया जाता है। यह निर्धारित करता है कि पिक्सेल का रंग तैयार परिणाम को कितना प्रभावित करेगा। फिर दो परिवर्तित पिक्सेल रंगों को जोड़ा जाता है, घटाया या गुणा किया जाता है; कुछ कार्यों में, एक तार्किक ऑपरेशन किया जाता है, उदाहरण के लिए, सबसे चमकदार पिक्सेल हमेशा चुना जाता है।

छवि: पहल टेक ब्लॉग में

ऊपर दी गई छवि दिखाती है कि यह व्यवहार में कैसे काम करता है; ध्यान दें कि पिक्सेल अल्फा वैल्यू का उपयोग बाएं पिक्सेल के लिए गुणांक के रूप में किया जाता है । यह संख्या पिक्सेल की पारदर्शिता की मात्रा को इंगित करती है ।

अन्य चरणों में, कोहरे का मूल्य लागू किया जाता है (यह प्रोग्रामर द्वारा बनाई गई तालिका से लिया जाता है, और फिर उसी मिश्रण की गणना की जाती है); दृश्यता और पारदर्शिता में चेक और परिवर्तन करना; अंत में, पिक्सेल का रंग ग्राफिक्स कार्ड की मेमोरी में लिखा जाता है।

आपको इतिहास में इस भ्रमण की आवश्यकता क्यों है? खैर, डिजाइन की सापेक्ष सादगी (विशेष रूप से आधुनिक राक्षसों की तुलना में) के बावजूद, यह प्रक्रिया बनावट के मूल सिद्धांतों का वर्णन करती है: हम रंगों के मूल्यों को लेते हैं और उन्हें मिलाते हैं ताकि मॉडल और वातावरण एक विशेष स्थिति में दिखें।

आधुनिक खेल एक ही काम करते हैं, केवल अंतर उपयोग किए गए बनावट की संख्या और मिश्रण गणना की जटिलता है। साथ में, वे फिल्मों में पाए जाने वाले दृश्य प्रभावों, या विभिन्न सामग्रियों और सतहों के साथ प्रकाश व्यवस्था की बातचीत का अनुकरण करते हैं।

बनावट मूल बातें

हमारे लिए, एक बनावट एक सपाट 2 डी छवि है जो बहुभुज पर आरोपित है जो फ्रेम में 3 डी संरचना बनाते हैं। हालांकि, एक कंप्यूटर के लिए, यह एक 2 डी सरणी के रूप में मेमोरी का एक छोटा सा ब्लॉक है। सरणी का प्रत्येक तत्व बनावट छवि में पिक्सेल में से एक के रंग मूल्य को दर्शाता है (आमतौर पर टेक्सल्स - बनावट पिक्सेल)।

बहुभुज के प्रत्येक शीर्ष पर दो निर्देशांक (आमतौर पर यू, वी के रूप में चिह्नित ) का एक सेट होता है , जो कंप्यूटर को बताता है कि बनावट का कौन सा पिक्सेल इसके साथ जुड़ा हुआ है। शीर्ष पर स्वयं तीन निर्देशांक ( x, y, z ) का एक सेट होता है , और टेक्सल्स को कोने से जोड़ने की प्रक्रिया को बनावट मानचित्रण कहा जाता है ।

- यह कैसे होता है देखने के लिए, के उपकरण है जो हम पहले से ही लेख की इस श्रृंखला में कई बार इस्तेमाल किया है पर गौर करें रीयल टाइम प्रतिपादन WebGL । अभी के लिए, हम भी कोने के z समन्वय को छोड़ देते हैं और एक समतल विमान पर सब कुछ मानते हैं।

बाएं से दाएं: बनावट के u, v निर्देशांक x से सीधे बंधे , कोने कोने के y निर्देशांक । दूसरी छवि में, y निर्देशांक शीर्ष कोने पर बढ़ाए जाते हैं , लेकिन चूंकि बनावट अभी भी उनसे जुड़ी हुई है, इसलिए यह लंबवत रूप से फैलती है। बनावट को पहले से ही सही छवि में बदल दिया गया है: यू मूल्यों में वृद्धि हुई है, लेकिन परिणामस्वरूप, बनावट को संकुचित और फिर दोहराया गया है।

ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि इस तथ्य के बावजूद, वास्तव में, यू के बढ़ते मूल्य के कारण बनावट अधिक हो गई है , यह अभी भी आदिम में फिट होना चाहिए - वास्तव में, बनावट आंशिक रूप से दोहराई जाती है। यह 3 डी गेम में अक्सर पाए जाने वाले प्रभाव को लागू करने का एक तरीका है: दोहराए जाने वाले बनावट। इस आशय के उदाहरण स्टोनी या घास के परिदृश्य के साथ-साथ ईंट की दीवारों के साथ दृश्यों में देखे जा सकते हैं।

अब दृश्य को बदलते हैं ताकि अधिक आदिमता हो, और फिर से दृश्य की गहराई को लौटाएं। क्लासिक परिदृश्य दृश्य नीचे दिखाया गया है, लेकिन अब बॉक्स बनावट को कॉपी किया गया है और सभी प्राइमेटिक्स के लिए दोहराया गया है।

इसके मूल gif प्रारूप में बॉक्स बनावट का आकार 66 KB और 256 x 256 पिक्सेल का रिज़ॉल्यूशन है। बॉक्स टेक्सचर द्वारा कवर किए गए फ्रेम के हिस्से का प्रारंभिक रिज़ॉल्यूशन 1900 x 680 है, अर्थात् पिक्सेल "क्षेत्र" के दृष्टिकोण से, इस तरह के क्षेत्र को केवल 20 बॉक्स टेक्सचर प्रदर्शित करना चाहिए।

लेकिन यह स्पष्ट है कि हम बीस से अधिक बक्से देखते हैं, और इसका मतलब है कि दूरी में बॉक्स की बनावट 256 x 256 पिक्सेल से बहुत कम होनी चाहिए । वास्तव में , उन्होंने "टेक्सचर मिनिफिकेशन" नामक एक प्रक्रिया की है (हाँ, अंग्रेजी में ऐसा शब्द मौजूद है!)। अब, दोहराएं, लेकिन इस बार कैमरे को ड्राअर में से एक के करीब लाएं।

यह मत भूलो कि बनावट का आकार केवल 256 x 256 पिक्सेल है, लेकिन यहां हम एक ऐसी बनावट देखते हैं जो 1900 पिक्सेल की चौड़ाई के साथ आधी छवि से बड़ी है। इस बनावट को "बनावट बढ़ाई" ऑपरेशन के अधीन किया गया था ।

ये दो बनावट प्रक्रियाएं लगातार 3 डी गेम में होती हैं, क्योंकि जब कैमरा दृश्य के चारों ओर घूमता है, तो मॉडल दृष्टिकोण करते हैं या दूर चले जाते हैं, और आदिम पर लागू होने वाले सभी बनावट को बहुभुज के साथ एक साथ स्केल करना होगा। गणित के दृष्टिकोण से, यह एक छोटी सी समस्या है, वास्तव में, यहां तक कि सबसे सरल एकीकृत ग्राफिक्स चिप्स भी आसानी से ऐसा काम कर सकते हैं। हालांकि, बनावट को कम करना और बढ़ाना नए कार्य हैं जिन्हें किसी तरह हल करने की आवश्यकता है।

दृश्य पर लघु-प्रतियाँ दिखाई देती हैं

बनावट के लिए हल करने के लिए पहली समस्या दूरी है। यदि हम बक्से के परिदृश्य के साथ पहली छवि पर लौटते हैं, तो वास्तव में क्षितिज के पास स्थित बक्से का आकार केवल कुछ पिक्सेल है। इसलिए, ऐसे छोटे स्थान में 256 x 256 पिक्सेल की छवि को संपीड़ित करने की कोशिश दो कारणों से व्यर्थ है।

सबसे पहले, छोटी बनावट ग्राफिक्स कार्ड की कम मेमोरी लेती है, जो सुविधाजनक है, क्योंकि आप इसे छोटे कैश में फिट करने का प्रयास कर सकते हैं। इसका मतलब यह है कि यह कैश से हटाए जाने की संभावना कम है, अर्थात्, इस बनावट के बार-बार उपयोग से प्रदर्शन में वृद्धि होगी, क्योंकि डेटा निकट मेमोरी में होगा। दूसरे कारण से, हम जल्द ही लौटेंगे, क्योंकि यह उसी समस्या से जुड़ा है जो कैमरे के करीब बनावट में उत्पन्न होती है।

बड़े पाठों को छोटी प्राथमिकताओं में संपीड़ित करने की आवश्यकता की समस्या का मानक समाधान है- mip-textures (mipmaps) का उपयोग करना । ये मूल बनावट के डाउनसाइज़ किए गए संस्करण हैं; वे इंजन द्वारा ही तैयार किए जा सकते हैं (उपयुक्त एपीआई कमांड का उपयोग करके) या गेम डिजाइनरों द्वारा पूर्व-निर्मित। पिछले बनावट की तुलना में प्रत्येक बाद के स्तर की बनावट का आकार आधा होता है।

यही है, बॉक्स बनावट के लिए, आयाम होंगे: 256 x 256 → 128 x 128 → 64 x 64 → 32 x 32 → 16 x 16 → 8 x 8 → 4 x 4 → 2 x 2 → 1 x 1।

सभी एमआईपी बनावट एक साथ पैक किए गए हैं, इसलिए बनावट का एक ही फ़ाइल नाम है, लेकिन आकार में बड़ा हो जाता है। बनावट को इस तरह से पैक किया गया है कि यू, वी निर्देशांक न केवल यह निर्धारित करता है कि फ्रेम में पिक्सेल पर कौन सा टेक्सिल लगाया गया है, बल्कि यह भी कि किस बनावट से बनावट है। फिर प्रोग्रामर फ्रेम की पिक्सेल गहराई के मूल्य के आधार पर एक रेंडरर लिखते हैं, जो निर्धारित करता है कि किस एमआईपी बनावट का उपयोग करना है। उदाहरण के लिए, यदि मूल्य बहुत अधिक है, तो पिक्सेल बहुत दूर है, जिसका अर्थ है कि आप एक छोटी सी बनावट का उपयोग कर सकते हैं।

चौकस पाठकों को एमआईपी-बनावट की कमी नोटिस कर सकती है - उन्हें बनावट के आकार को बढ़ाकर उनके लिए भुगतान करना होगा। बॉक्स की मूल बनावट 256 x 256 पिक्सेल थी, लेकिन जैसा कि आप ऊपर की छवि में देख सकते हैं, एमआईपी बनावट के साथ बनावट का आकार अब 384 x 256 है। हाँ, इसमें बहुत सारी खाली जगह है, लेकिन कोई बात नहीं हम सामान्य रूप से छोटे पैक कैसे पैक करते हैं। एक तरफ की बनावट का आकार कम से कम 50% बढ़ जाएगा।

लेकिन यह केवल पहले से निर्मित एमआईपी-बनावट के लिए सच है; यदि खेल इंजन उन्हें सही ढंग से उत्पन्न करने के लिए प्रोग्राम किया गया है, तो वृद्धि मूल बनावट के आकार का 33% से अधिक नहीं है। इसलिए, एमआईपी-बनावट के भंडारण के लिए स्मृति की मात्रा में थोड़ी वृद्धि के कारण, हमें प्रदर्शन और दृश्य गुणवत्ता में लाभ मिलता है।

नीचे एमआईपी बनावट के साथ छवियों की तुलना अक्षम / सक्षम है:

छवि के बाईं ओर, बक्सों के बनावट का उपयोग "जैसा है" किया गया था, जिसके कारण दूरी में ग्रेन्युलैरिटी और तथाकथित मौआ दिखाई दिया। दाईं ओर, चिकनी बदलाव के लिए अनुमति दी गई बनावटों के बनावट और क्षितिज पर बॉक्स की बनावट एक समान रंग में धुंधली है।

हालांकि, कौन अपने पसंदीदा खेल की पृष्ठभूमि को खराब करने के लिए धुंधली बनावट चाहता है?

बिलिनियर, ट्रिलिनियर, अनिसोट्रोपिक - यह सब मेरे लिए एक चीनी पत्र है

एक बनावट से एक पिक्सेल का चयन करने की प्रक्रिया इसे एक फ्रेम में पिक्सेल पर ओवरले करने के लिए नमूना बनावट कहा जाता है , और एक आदर्श दुनिया में एक बनावट होगी जो आदर्श रूप से आदिम से मेल खाती है जिसके लिए आकार, स्थिति, दिशा, और इसी तरह की परवाह किए बिना इसे डिज़ाइन किया गया है। दूसरे शब्दों में, बनावट का नमूना एक सरल एक-से-एक टेक्सल पिक्सेल मानचित्रण होगा।

लेकिन जब से ऐसा नहीं है, तब कई कारकों पर विचार करना पड़ता है जब बनावट का नमूना लेते हैं:

क्या बनावट कम या बढ़ गई है?
क्या बनावट एक स्रोत या एमआईपी बनावट है?
बनावट किस कोण पर प्रदर्शित होती है?

चलो उन्हें क्रम में विश्लेषण करते हैं। पहला कारक काफी स्पष्ट है: यदि बनावट में वृद्धि की गई है, तो आदिम में पिक्सेल को आवश्यकता से अधिक पिक्सेल को कवर किया जाएगा; घटते समय, विपरीत सच है - प्रत्येक टेक्सल को अब कई पिक्सेल कवर करना चाहिए। और वह एक समस्या है।

दूसरा कारक समस्याओं का कारण नहीं बनता है, क्योंकि एमआईपी-बनावट का उपयोग दूर-दूर के आदिमों के बनावट के नमूने की समस्या को बायपास करने के लिए किया जाता है, इसलिए केवल एक कोण पर बनावट प्रदर्शित करना एकमात्र कार्य है। और हाँ, यह भी एक समस्या है। क्यों? क्योंकि सभी बनावट "सामने सख्ती से" देखने के लिए उत्पन्न चित्र हैं। गणितीय भाषा में बोलते हुए, सामान्य सतह बनावट सतह के नाममात्र से मेल खाती है, जिस पर वर्तमान में बनावट प्रदर्शित होती है।

इसलिए, यदि टेक्सल्स बहुत कम या बहुत अधिक हैं, या वे कोण पर स्थित हैं, तो "बनावट फ़िल्टरिंग" नामक एक अतिरिक्त प्रक्रिया की आवश्यकता है । यदि इस प्रक्रिया का उपयोग नहीं किया जाता है, तो हम इसे प्राप्त करते हैं:

यहाँ हमने R को अक्षर के साथ एक बनावट के साथ बॉक्स की बनावट को बदल दिया, अधिक स्पष्ट रूप से यह दिखाने के लिए कि क्या छवि गंदगी को छानने के बिना बदल जाती है!

Direct3D, OpenGL और Vulkan जैसे ग्राफिक APIs फ़िल्टरिंग प्रकारों का एक ही सेट प्रदान करते हैं, लेकिन उनके लिए अलग-अलग नामों का उपयोग करते हैं। वास्तव में, वे सभी निम्नलिखित को उबालते हैं:

प्वाइंट सैंपलिंग के पास
रैखिक बनावट छानने
अनिसोट्रोपिक बनावट फ़िल्टरिंग

वास्तव में, निकटतम बिंदु का नमूना लेना एक फिल्टर नहीं है, क्योंकि इसके साथ केवल आवश्यक बनावट पिक्सेल के निकटतम टेक्सल का नमूना लिया जाता है (उदाहरण के लिए, मेमोरी से कॉपी किया गया), और फिर इसे पिक्सेल के मूल रंग के साथ मिलाया जाता है।

यहाँ रैखिक फ़िल्टरिंग हमारी सहायता के लिए आती है। आवश्यक टेक्सल निर्देशांक यू, वी को नमूना उपकरण में स्थानांतरित कर दिया जाता है, लेकिन इन निर्देशांक के निकटतम टेक्सेल लेने के बजाय, नमूना चार टेक्सल्स लेता है । ये ऊपर, नीचे, बाईं ओर और सबसे निचले बिंदु के नमूने का चयन करके चयनित टेक्सल के दाईं ओर स्थित टेक्सल्स हैं।

इन चार टेक्सल्स को तब वज़न के साथ एक सूत्र का उपयोग करके मिश्रित किया जाता है। उदाहरण के लिए, वल्कन में, सूत्र इस तरह दिखता है:

टी टेक्सल रंग को दर्शाता है, जहां एफ निस्पंदन का परिणाम है, और 1-4 चार नमूने वाले टेक्सल्स का रंग है। अल्फा और बीटा मान इस बात पर निर्भर करते हैं कि निर्देशांक u, v बनावट के मध्य से कितनी दूर है ।

सौभाग्य से 3 डी ग्राफिक्स से जुड़े लोगों के लिए, यह स्वचालित रूप से ग्राफिक्स चिप में होता है। वास्तव में, यह वही है जो 3dfx वूडू कार्ड TMU चिप ने किया था: इसने चार टेक्सल्स का नमूना लिया और फिर उन्हें एक साथ मिलाया। Direct3D में, इस प्रक्रिया में बिलिनियर फ़िल्टरिंग के लिए एक अजीब नाम है ।लेकिन क्वेक और टीएमयू चिप के दिनों के बाद से, ग्राफिक्स कार्ड पहले ही सीख चुके हैं कि बिलिनियर को केवल एक घड़ी चक्र में कैसे फ़िल्टर किया जाए (बेशक, अगर बनावट पहले से ही निकटतम मेमोरी में स्थित है)।

रैखिक छानने का उपयोग मिल-बनावट के साथ किया जा सकता है, और यदि आप फ़िल्टरिंग को जटिल करना चाहते हैं, तो आप बनावट से चार टेक्सल्स ले सकते हैं, और फिर सभी को मिलाकर, अगले स्तर के चार-मील के बनावट से। और इसे Direct3D में क्या कहा जाता है? ट्रिलिनियर फ़िल्टरिंग। इस प्रक्रिया में "तीन" कहां से आए ? इसलिए हम नहीं जानते ...

उल्लेख के लिए अंतिम फ़िल्टरिंग विधि अनिसोट्रोपिक है । वास्तव में, यह बिलिनियर या ट्रिलिनियर फ़िल्टरिंग द्वारा निष्पादित प्रक्रिया में सुधार है। प्रारंभ में, यह गणना करता हैआदिम सतह के अनिसोट्रॉपी की डिग्री (और यह आश्चर्यजनक रूप से जटिल प्रक्रिया है ) - यह मूल्य अपनी अभिविन्यास के कारण आदिम के पहलू अनुपात में परिवर्तन को बढ़ाता है:

ऊपर की आकृति समान चौकोर लम्बाई वाली चौकोर आदिम दिखाती है; लेकिन धीरे-धीरे मुड़ते हुए, यह एक आयत में बदल जाता है, और इसकी चौड़ाई इसकी ऊंचाई से अधिक बदल जाती है। इसलिए, दाईं ओर के आदिम में बाईं ओर की तुलना में ऐनिसोट्रॉपी की एक बड़ी डिग्री है (और एक वर्ग के मामले में, डिग्री शून्य है)।

कई आधुनिक 3 डी गेम आपको अनिसोट्रोपिक फ़िल्टरिंग चालू करने की अनुमति देते हैं, और फिर इसका स्तर (1x से 16x तक) बदलते हैं, लेकिन यह वास्तव में क्या बदलता है? यह पैरामीटर अतिरिक्त टेक्सल नमूनों की अधिकतम संख्या को नियंत्रित करता है जो प्रत्येक प्रारंभिक रैखिक नमूने में लिए जाते हैं। मान लीजिए कि 8x का अनिसोट्रोपिक बिलिनियर फ़िल्टरिंग खेल में चालू है। इसका अर्थ है कि चार टेक्सल मूल्यों के बजाय, इसे 32 मान मिलेंगे।

अनिसोट्रोपिक फ़िल्टरिंग का उपयोग करते समय अंतर स्पष्ट रूप से ध्यान देने योग्य है:

बस ऊपर की छवि पर जाएं और अधिकतम 16x अनिसोट्रोपिक ट्रिलिनियर फ़िल्टरिंग के साथ निकटतम बिंदुओं के नमूने की तुलना करें। कमाल की चिकनी है!

लेकिन बनावट की इस चिकनी सुंदरता के लिए आपको प्रदर्शन के साथ भुगतान करना होगा: अधिकतम सेटिंग्स पर, अनिसोट्रोपिक ट्रिलिनियर फ़िल्टरिंग प्रतिपादन के प्रत्येक पिक्सेल के लिए बनावट से 128 नमूने प्राप्त करेगा। यहां तक कि बहुत ही बेहतरीन आधुनिक GPU के साथ भी इसे एक घड़ी चक्र में हासिल नहीं किया जा सकता है।

यदि आप लेते हैं, उदाहरण के लिए, AMD Radeon RX 5700 XT, तब प्रोसेसर के अंदर के प्रत्येक टेक्सचरिंग ब्लॉक एक घड़ी के चक्र में 32 टेक्सेल एड्रेस तक का उपयोग कर सकते हैं, और फिर अगले क्लॉक साइकिल में मेमोरी से 32 टेक्सल लोड (प्रत्येक का आकार 32 बिट्स है), और फिर उनमें से चार को एक और में मिलाते हैं। चातुर्य। अर्थात्, 128 टेक्सल नमूनों को एक में मिलाने के लिए कम से कम 16 घड़ी चक्रों की आवश्यकता होती है।

7-नैनोमीटर प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के साथ GPU AMD RDNA Radeon RX 5700

यदि 5700 XT की घड़ी की गति 1605 मेगाहर्ट्ज है, तो सोलह चक्र केवल 10 नैनोसेकेंड लेते हैं । सिर्फ एक बनावट इकाई का उपयोग करके 4K फ्रेम में प्रत्येक पिक्सेल के लिए इन चक्रों को निष्पादित करने में केवल 70 मिलीसेकंड लगेगा। महान, ऐसा लगता है कि प्रदर्शन कोई बड़ी बात नहीं है!

1996 में भी, 3Dfx वूडू और इसी तरह के कार्ड जल्दी से बनावट के साथ मेल खाते थे। अधिक से अधिक वे प्रति चक्र को बिलिनियर फ़िल्टरिंग के साथ 1 टेक्सल दे सकते हैं, और 50 मेगाहर्ट्ज की टीएमयू चिप आवृत्ति के साथ, इसका मतलब है कि प्रति मिलियन 50 मिलियन टेक्सल्स को संसाधित किया जा सकता है। 800 x 600 और 30 एफपीएस पर चलने वाले गेम में प्रति सेकंड बिलिनियर फ़िल्टरिंग के साथ केवल 14 मिलियन टेक्सल्स की आवश्यकता होती है।

हालांकि, यह केवल इस धारणा के तहत सच है कि सभी बनावट निकटतम स्मृति में हैं और केवल एक टेक्सल प्रत्येक पिक्सेल से मेल खाती है। बीस साल पहले, एक आदिम पर कई बनावटों को ओवरले करने की आवश्यकता का विचार पूरी तरह से विदेशी था, लेकिन आज यह एक मानक है। आइए देखें कि यह सब क्यों बदलता है।

प्रकाश जोड़ें

यह समझने के लिए कि बनावट इतनी महत्वपूर्ण क्यों हो गई है, क्वेक के इस दृश्य पर एक नज़र डालें:

यह एक अंधेरे छवि है, क्योंकि अंधेरे खेल का वातावरण था, लेकिन हम देखते हैं कि हर जगह अंधेरा समान नहीं है - दीवारों और फर्श के कुछ टुकड़े दूसरों की तुलना में हल्के होते हैं, जो इन क्षेत्रों में हल्केपन की भावना पैदा करता है।

दीवारों और फर्श को बनाने वाले आदिम समान बनावट वाले होते हैं, लेकिन फ्रेम पिक्सल पर लागू होने से पहले टेक्सल्स के मूल्यों के साथ "लाइट मैप" नामक एक और बनावट होती है । क्वेक समय में, प्रकाश नक्शे की गणना अग्रिम में की गई थी और गेम इंजन द्वारा बनाई गई थी। उनका उपयोग स्थिर और गतिशील प्रकाश स्तर उत्पन्न करने के लिए किया गया था।

उनके उपयोग का लाभ यह है कि जटिल प्रकाश गणना गणना के बजाय बनावट के साथ की गई थी, जिसने कम गति लागत की कीमत पर दृश्य की उपस्थिति में काफी सुधार किया था। जाहिर है, छवि अपूर्ण है: फर्श पर यह ध्यान देने योग्य है कि प्रबुद्ध क्षेत्रों और छाया के बीच की सीमा बहुत तेज है।

कई मायनों में, एक लाइटमैप सिर्फ एक और बनावट है (यह मत भूलो कि वे सभी नियमित 2D डेटासेट हैं), इसलिए यह दृश्य मल्टीटेक्स्टिंग का उपयोग करने के पहले उदाहरणों में से एक है। जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें दो या दो से अधिक बनावट एक आदिम पर आरोपित की जाती हैं। क्वेक में प्रकाश मानचित्रों का उपयोग गौर्ड शेडिंग की सीमाओं को पार करने का एक तरीका बन गया है, लेकिन ग्राफिक कार्ड की क्षमताओं की सीमा बढ़ाने की प्रक्रिया में, मल्टीटेक्स्चर लगाने के तरीकों का विस्तार हुआ है।

3Dfx वूडू, उस युग के कई अन्य कार्डों की तरह, उन परिचालनों की मात्रा में सीमित था जो इसे एकल रेंडरिंग पास में प्रदर्शन कर सकते थे । वास्तव में, एक पास एक पूर्ण रेंडरिंग चक्र है: वर्टिकल को संसाधित करने से लेकर फ्रेम को रैस्टराइज़ करने तक, और फिर पिक्सल्स को बदलने और उन्हें तैयार फ्रेम बफर पर लिखने के लिए। बीस साल पहले, खेल लगभग हमेशा एक-पास प्रतिपादन का उपयोग करते थे।

Nvidia GeForce 2 अल्ट्रा, 2000 के अंत के आसपास। चित्र: विकिमीडिया

ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि प्रदर्शन के लिहाज से सिर्फ अतिरिक्त बनावट लागू करने के लिए दूसरा शीर्ष प्रसंस्करण बहुत महंगा था। वूडू के बाद, हमें कुछ वर्षों तक इंतजार करना पड़ा जब एटीआई राडोन और एनवीडिया जीफर्स 2 ग्राफिक्स कार्ड दिखाई दिए, जो एक पास में मल्टीटेक्स्टुरिंग में सक्षम था।

इन GPU की पिक्सेल प्रसंस्करण क्षेत्र में कई बनावट इकाइयाँ थीं (जो कि पाइपलाइन में है ), इसलिए दो अलग बनावटों से बिलिनियर फ़िल्टरिंग के साथ एक टेक्सल प्राप्त करना सबसे सरल कार्य बन गया। इसने प्रकाश मानचित्रों की लोकप्रियता को और बढ़ा दिया और गेम को पर्यावरण की स्थिति के आधार पर प्रकाश मूल्यों को बदलते हुए उन्हें पूरी तरह से गतिशील बनाने की अनुमति दी।

लेकिन कुछ बनावट के साथ, बहुत कुछ किया जा सकता है, तो चलो उनकी क्षमताओं का पता लगाएं।

ऊंचाई बदलने के लिए सामान्य है

3D रेंडरिंग के बारे में लेखों की इस श्रृंखला में, हमने इस बारे में बात नहीं की कि GPU की भूमिका पूरी प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करती है (हम इस बारे में बात करेंगे, लेकिन अभी नहीं!)। लेकिन यदि आप भाग 1 पर वापस जाते हैं और प्रसंस्करण कोने की पूरी जटिल प्रक्रिया के बारे में पढ़ते हैं, तो आप सोच सकते हैं कि यह उन सभी कार्यों का सबसे कठिन हिस्सा है जो GPU को करना चाहिए।

लंबे समय तक यह था, और गेम प्रोग्रामर ने इस भार को कम करने के लिए हर संभव प्रयास किया। उन्हें एक ही छवि गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए सभी प्रकार के चालों में जाना पड़ा, जैसे कि कई कोने का उपयोग करते हुए, लेकिन उन्हें संसाधित करने के लिए नहीं।

इनमें से अधिकांश ट्रिक्स में ऊंचाई के नक्शे और सामान्य नक्शे नामक बनावट का उपयोग किया गया था ।। ये दो अवधारणाएं इस तथ्य से जुड़ी हैं कि बाद को पूर्व से बनाया जा सकता है, लेकिन अभी के लिए, हम केवल "बंप मैपिंग" नामक एक तकनीक को देखते हैं ।

एमिल पर्सन द्वारा एक डेमो रेंडरिंग में बनाई गई छवियां । उभरा बनावट अक्षम / सक्षम है। उभरा बनावट

एक 2 डी सरणी का उपयोग करता है जिसे "ऊंचाई मानचित्र" कहा जाता है जो मूल बनावट के एक अजीब संस्करण की तरह दिखता है। उदाहरण के लिए, ऊपर की छवि दो सपाट सतहों पर एक यथार्थवादी ईंट बनावट को दर्शाती है। बनावट और इसकी ऊंचाई का नक्शा इस तरह दिखता है:

ऊंचाई के नक्शे के रंग ईंटों की सतह के मानदंडों को दर्शाते हैं (हमने लेखों की एक श्रृंखला के भाग 1 में मानदंडों के बारे में बात की थी )। जब रेंडरिंग प्रक्रिया सतह पर ईंट की बनावट को लागू करने के चरण तक पहुंचती है, तो इसके मानदंडों के आधार पर ईंट की बनावट के रंग को बदलने के लिए गणना की एक श्रृंखला की जाती है।

इसके परिणामस्वरूप, ईंटें स्वयं अधिक त्रि-आयामी दिखती हैं, इस तथ्य के बावजूद कि वे पूरी तरह से सपाट बने हुए हैं। यदि आप बारीकी से देखते हैं, खासकर ईंटों के किनारों पर, तो आप इस तकनीक की सीमाओं को देख सकते हैं: बनावट थोड़ी विकृत दिखती है। लेकिन यह एक त्वरित चाल है जो आपको अधिक सतह विस्तार जोड़ने की अनुमति देता है, इसलिए उभरा बनावट बहुत लोकप्रिय है।

एक सामान्य नक्शा एक ऊंचाई के नक्शे के समान है, केवल बनावट रंग ही मानदंड हैं। दूसरे शब्दों में, ऊंचाई के नक्शे को सामान्य में बदलने के लिए गणना की आवश्यकता नहीं है। आप एक प्रश्न पूछ सकते हैं: रंग अंतरिक्ष में एक वेक्टर का वर्णन कैसे कर सकते हैं? उत्तर सरल है: प्रत्येक टेक्सेल में r, g, b मान (लाल, हरा, नीला) का एक सेट होता है और ये मान सामान्य वेक्टर के x, y, z मानों से सीधे मेल खाते हैं ।

बाएं आरेख असमान सतह पर मानदंडों की दिशा में परिवर्तन को दर्शाता है। एक फ्लैट बनावट (मध्य रूपरेखा) के साथ समान मानदंडों का वर्णन करने के लिए, हम उन्हें रंग प्रदान करते हैं। इस मामले में, हमने सीधे निर्देशित सदिश के लिए r, g, b (0.255.0) के मानों का उपयोग किया , और फिर बाईं ओर झुकाव के लिए लाल का मान बढ़ाया, और दाईं ओर झुकाव के लिए नीला।

ध्यान रखें कि यह रंग मूल पिक्सेल के साथ मिश्रण नहीं करता है, यह बस प्रोसेसर को बताता है कि सामान्य किस दिशा में इंगित करता है ताकि यह कैमरे, प्रकाश स्रोतों और बनावट की सतह के बीच के कोणों की सही गणना कर सके।

उभरा बनावट और सामान्य नक्शे के फायदे पूरी तरह से स्पष्ट हैं जब दृश्य में गतिशील प्रकाश व्यवस्था का उपयोग किया जाता है, और जब प्रतिपादन प्रक्रिया पिक्सेल द्वारा प्रकाश परिवर्तन पिक्सेल के प्रभाव की गणना करती है, और प्रत्येक शीर्ष के लिए नहीं। आज, आधुनिक खेल इस चाल की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए बनावट के एक सेट का उपयोग करते हैं।

चित्र: ट्विटर से रयान बेनो

, आश्चर्यजनक रूप से, यह यथार्थवादी दिखने वाली दीवार सिर्फ एक सपाट सतह है, ईंटों और चिनाई सीमेंट का विवरण लाखों बहुभुजों का उपयोग करके नहीं बनाया गया है। इसके बजाय, केवल पांच बनावट और गणना के विचारशील उपयोग पर्याप्त हैं।

ईंटों के साथ छाया कास्टिंग उत्पन्न करने के लिए एक ऊंचाई मानचित्र का उपयोग किया गया था, और सभी मामूली सतह परिवर्तनों को अनुकरण करने के लिए एक सामान्य मानचित्र का उपयोग किया गया था। खुरदरापन बनावट का उपयोग दीवार के विभिन्न तत्वों से परावर्तित होने के तरीके को बदलने के लिए किया गया था (उदाहरण के लिए, चिकनी ईंट, खुरदरी सीमेंट की तुलना में प्रकाश को अधिक समान रूप से दर्शाती है)।

एओ छवि में नामित अंतिम कार्ड, परिवेशीय अछूता नामक प्रक्रिया का एक हिस्सा बनाता है: हम निम्नलिखित लेखों में इस तकनीक की अधिक विस्तार से जांच करेंगे, लेकिन अब हम कहते हैं कि यह छाया के यथार्थवाद को बढ़ाने में मदद करता है।

बनावट मानचित्रण एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है।

खेलों को विकसित करते समय बनावट का होना नितांत आवश्यक है। उदाहरण के लिए, 2019 गेम किंगडम कम: डिलीवरेंस , 15 वीं शताब्दी में बोहेमिया में स्थापित एक प्रथम-व्यक्ति आरपीजी। डिजाइनरों ने उस अवधि की सबसे यथार्थवादी दुनिया बनाने की मांग की। और उस खिलाड़ी को जीवन में विसर्जित करने के लिए जो सैकड़ों साल पहले था, ऐतिहासिक रूप से सटीक परिदृश्य, इमारतों, कपड़े, हेयर स्टाइल, रोजमर्रा की वस्तुओं, और बहुत कुछ को लागू करना सबसे अच्छा है।

खेल से इस छवि में प्रत्येक बनावट मैन्युअल रूप से कलाकारों द्वारा बनाई गई थी, और प्रोग्रामर द्वारा नियंत्रित एक रेंडरिंग इंजन के लिए भी धन्यवाद। उनमें से कुछ छोटे हैं, सरल विवरण के साथ, और इसलिए अन्य बनावट (उदाहरण के लिए, चिकन पंख) के साथ थोड़ा फ़िल्टर्ड या संसाधित होते हैं।

दूसरों के पास उच्च रिज़ॉल्यूशन और कई छोटे विवरण हैं; वे सामान्य नक्शे और अन्य बनावट के साथ अनीसोट्रोपिक फ़िल्टरिंग और मिश्रण से गुजरते हैं - बस अग्रभूमि में व्यक्ति के चेहरे को देखें। प्रत्येक दृश्य वस्तु की बनावट आवश्यकताओं में अंतर को प्रोग्रामर द्वारा ध्यान में रखा जाता है।

यह सब आज कई खेलों में होता है, क्योंकि खिलाड़ियों को विस्तार और यथार्थवाद के उच्च स्तर की उम्मीद है। बनावट बड़े होते जा रहे हैं, और उनमें से अधिक से अधिक सतह पर आरोपित कर रहे हैं, लेकिन टेक्सल्स के नमूने और उन्हें पिक्सल पर सुपरइम्पोज़ करने की प्रक्रिया अनिवार्य रूप से क्वेक के दिनों की तरह ही रहती है। सबसे अच्छी तकनीकें कभी नहीं मरती हैं, चाहे वे कितने भी पुराने हों!

3D गेम रेंडरिंग कैसे काम करता है: टेक्सचरिंग और टेक्सचर फ़िल्टरिंग