Monday, October 29, 2012

[Kiến thức] Nguyên lý khử răng cưa trong đồ họa P2

[IMG]
(Adaptive AA của AMD)

Như đã nói ở phần trước, MSAA là giải pháp khử răng cưa khá tốt, nó đem lại chất lượng hình ảnh đẹp cùng với hiệu năng xử lý tốt, nhưng MSAA có một nhược điểm quan trọng, đó là nó không thể xử lý răng cưa cho các đối tượng có vân bề mặt trong suốt (transparency texture). Vì vậy các nhà phát triển phải làm gì để loại bỏ được lượng răng cưa này? Mời các bạn theo dõi tiếp phần 3 của loại bài viết “Tìm hiểu kĩ thuật khử răng cưa trong đồ họa vi tính” ngay sau đây:

  • Trước tiên ta sẽ cùng tìm hiểu về Vân trong suốt.
Các game ngày nay chứa rất nhiều các đối tượng 3 chiều phức tạp, mỗi đối tượng gồm nhiều đa giác hợp thành (polygon), mỗi đa giác lại chứa nhiều thông tin như vân của đối tượng đó, ánh sáng, đổ bóng… Do đó các nhà phát triển phải “vẽ” sẵn các mô hình có độ chi tiết từ cao đến thấp tùy theo khoảng cách của đối tượng đến người chơi nhằm giảm tải cho hệ thống. Công nghệ Tessellation trong thư viện DirectX 11 như trong bài viết phần 1 đã giải quyết được bài toán này.

Tuy nhiên khi có quá nhiều đối tượng phức tạp nhưng nhỏ cùng xuất hiện trong một khung cảnh thì sao (ví dụ rất nhiều chiếc lá trong rừng, hoặc 1 bãi cỏ, hoặc các mắt lưới trên một khung lưới…). Nếu mỗi mắt lưới được dựng riêng rẽ thì không một máy tính nào có thể kham nổi số lượng đối tượng khổng lồ như vậy, kể cả các máy chơi game mạnh nhất hiện nay. Vân trong suốt là giải pháp cho vấn đề này.

[IMG]

Vân trong suốt sẽ mô phỏng các đối tượng riêng rẽ phức tạp đó bằng các hình 2D thông thường. Hãy lấy ví dụ cụ thể là một hàng rào lưới B40 trong game. Thay vì dựng từng mắt lưới riêng rẽ, ta chỉ việc “vẽ” một mảng lưới dạng 2D hoàn toàn, đồng thời làm trong suốt các mắt lưới ở giữa, như vậy ta đã có một lớp hàng rào lưới rất đẹp mà không hề làm nặng nề máy.

Hình ảnh sau sẽ cho bạn hình dung vân trong suốt là như thế nào, các đối tượng hình học thể hiện như thế nào và cảnh cuối cùng trong game ra sao:

[IMG]
Lớp vân của hàng rào (hình nền có các ô bàn cờ là lớp trong suốt)

[IMG]
Mô hình khung của các đối tượng 3D ở phía sau lớp lưới

[IMG]
Hình ảnh được dựng nên sau khi kết hợp 2 lớp trên

Như bạn thấy, vân trong suốt đã giải quyết được vấn đề thể hiện chi tiết của lớp lưới này mà không làm tăng tải của hệ thống. Tuy nhiên vấn đề chính ở lớp vân trong suốt này, vì MSAA, như đã nói ở trên, không thể khử được răng cưa đối với vân trong suốt, do đó lớp lưới này vẫn còn nguyên răng cưa cho dù bạn có bật 16X MSAA chăng nữa. SSAA thì xử lý răng cưa cho lớp lưới này rất tốt, nhưng tốc độ thì lại lê lết thảm hại. Do đó đã phát sinh yêu cầu phải có một kỹ thuật mới để xử lý được lớp vân trong suốt này.

[IMG]

nVIDIA đã có công nghệ riêng của mình để làm việc này. Với sự công bố dòng card đồ họa GeForce 7 series (ra mắt tháng 6/2005 – sản phẩm mạnh nhất lúc này là GeForce 7950), họ đã giới thiệu một kỹ thuật khử răng cưa cho vân trong suốt, gọi tắt là TAAA. TAAA có 2 cách tiếp cận, một sử dụng kỹ thuật MSAA (gọi là TrMSAA – Transparency MSAA ) và một sử dụng SSAA (gọi là TrSSAA – Transparency SSAA).

Ở bài trước ta đã có nói đến nguyên lý của MSAA là xử lý các pixel nằm ở cạnh đối tượng. Với TAAA, các pixel nằm trong đối tượng có vân trong suốt cũng sẽ được lấy mẫu, không chỉ các pixel ở cạnh. Hai kỹ thuật của TAAA khác nhau ở chỗ: TrMSAA sẽ lấy mẫu pixel các vân trong suốt cùng số mẫu MSAA, trong khi TrSSAA sẽ lấy mẫu riêng cho vân trong suốt theo 2, 4 hoặc 8 mẫu, riêng biệt với các pixel ở cạnh. Mọi việc có vẻ được giải quyết hoàn toàn.

[IMG]
TrMSAA và TrSSAA của nVIDIA

Tuy nhiên không hẳn vậy. Theo lý thuyết như trên thì mọi pixel đều được xử lý. Nhưng TrSSAA không chơi với DirectX 9, còn TrMSAA chỉ hoạt động với DirectX 9, nhưng không ổn định.

Bên phía AMD cũng phát triển một kỹ thuật tương tự với TAAA của Nvidia, gọi là AdAA (Adaptive AA - khử răng cưa thích ứng), cùng với dòng card Radeon X1000 (lúc bấy giờ là ATi). Nguyên lý hoạt động tương tự như TAAA, chỉ khác biệt ở chỗ ATi chỉ giới hạn kỹ thuật xử lý vân trong suốt bằng MSAA, tức hoàn toàn giống với TrMSAA, kể cả việc chỉ hoạt động với DirectX 9. ATi cho biết kỹ thuật AdAA này của họ vẫn có thể dùng với các game DirectX 10 và 11, nếu các nhà phát triển áp dụng kỹ thuật này vào game của họ. Hiện tại có một số game đã ứng dụng AdAA, ví dụ S.T.A.L.K.E.R: Clear Sky, S.T.A.L.K.E.R: Call of Pripyat và Metro 2033 đã ứng dụng hiệu quả kỹ thuật này.

  • So sánh về hiệu quả xử lý của 2 dòng card GeForce và Radeon
[IMG]

Nhìn hình trên bạn có thể thấy, kỹ thuật xử lý răng cưa cho vân bề mặt đem lại chất lượng hình ảnh vượt trội. Lớp lưới đã trở nên mịn màng và trơn tru, khác hẳn với kết quả tệ hại mà MSAA truyền thống mang lại.

Tuy nhiên, với các game DirectX 10 và 11 thì sao? Trong thư viện DirectX 10 và 11 đã có một công nghệ gọi là alpha-to-coverage, sử dụng sức mạnh của GPU để xử lý răng cưa cho vân bề mặt. Các game mới ra trong năm 2012 này đã ứng dụng các kỹ thuật dựng hình hàng rào và cây cối tốt và ít răng cưa hơn nhiều các game thế hệ DirectX 9. Bài tiếp theo sẽ giải thích các kỹ thuật khử răng cưa mới trong DirectX 10 và 11.
 
Nguồn: Tomshareware
Dịch: cuLong
(Rất cám ơn bạn cuLong đã thực hiện bài dịch này)


[IMG]
[IMG]
(8x AA thường so với 32x CSAA của nVIDIA)
  • Chế độ khử răng cưa lấy mẫu bao phủ với công nghệ CSAA của nVIDIA và EQAA của AMD
Với sự ra mắt của dòng card GeForce 8, nVIDIA đã giới thiệu một kỹ thuật mới trong việc xử lý răng cưa là khử răng cưa lấy mẫu bao phủ (CSAA - Coverage sampling anti-aliasing). Về cơ bản CSAA chính là MSAA có lấy thêm các mẫu bao phủ bênh cạnh. Mẫu bao phủ sẽ thực hiện việc kiểm tra xem có bất kỳ đa giác nào nằm tại vị trí của nó hay không, sau đó sẽ thực hiện việc tính toán để xác định màu cuối cùng cho pixel.

[IMG]
nVIDIA giới thiệu nguyên lý CSAA cho dòng card GF100 - Fermi

Các mẫu bao phủ tương đối dễ thu thập, và nó có thể giúp tăng cường chất lượng hình ảnh nhưng chỉ mất một ít hiệu năng khi so sánh với MSAA. Nói đơn giản CSAA 4x tương đương với MSAA 2x, CSAA 8x chỉ nặng bằng MSAA 4x và tương tự.

Chúng ta có thể theo dõi hình minh họa sau, ô vuông màu tím là pixel, màu đỏ là vị trí lấy mẫu MSAA, màu vàng là vị trí lấy mẫu bao phủ. Tại chế độ 2x MSAA, ta có thêm 2 mẫu bao phủ tương đương 4 vị trí lấy mẫu của CSAA, kết quả chất lượng hình ảnh cao hơn so với 2x MSAA truyền thống.


[IMG]
Nguyên lý lấy mẫu bao phủ của EQAA, tương tự CSAA của nVIDIA

AMD cũng giới thiệu công nghệ xử lý răng cưa tương tự với CSAA của nVIDIA, gọi là chế độ khử răng cưa tăng cường chất lượng (enhanced quality anti-aliasing - EQAA), trong dòng card Radeon HD 6900. Tuy nhiên các dòng card đồ họa còn lại của AMD (kể cả Radeon HD 6800) cũng không thể gánh nổi EQAA, do đó đa phần người dùng AMD không thể sử dụng EQAA được. Trái lại, các card của NVIDIA hỗ trợ CSAA rất rộng rãi, từ GeForce 8000; 9000 cho đến 200; 300; 400; 500 và hiện tại là 600.

  • Cách đặt tên dễ gây nhầm lẫn
nVIDIA gây rắc rối và hiểu nhầm với cách đặt tên phương pháp khử răng cưa của mình. Đôi khi con số x thể hiện số mẫu MSAA, đôi khi x lại là kết hợp số mẫu MSAA và cả số mẫu bao phủ. Ví dụ ta gặp trường hợp 8xQ, thì hậu tố Q thể hiện số mẫu MSAA truyền thống, nhưng 16xQ thì lại bao gồm 8x MSAA và 8 mẫu bao phủ. Do đó dẫn đến một số trường hợp game và driver Forceware không hiểu nhau, thiết lập 8x trong game thì driver lại hiểu là 4x MSAA + 4 mẫu bao phủ.

[IMG]
Các thiết lập CSAA của nVIDIA, khá rắc rối và khó hiểu

Cách đặt tên của AMD thì đơn giản và dễ hiểu hơn nhiều, các cấp x của AMD chính là số mẫu MSAA, trong khi tiền tố EQ là số mẫu bao phủ thêm vào. Ví dụ 8x của AMD là 8 mẫu MSAA, trong khi 8XEQ là 8 mẫu MSAA thêm 8 mẫu bao phủ.

[IMG]
Bảng so sánh độ tương đương giữa các cấp khử răng cưa của GeForce và Radeon

Nguồn: Tomshareware
Dịch: cuLong (tinhte.vn)
(Rất cám ơn bạn cuLong đã thực hiện bài dịch này)