Voxel space és ray-tracing
Kötöttségek nélkül
Az utóbbi időben igen parázs vitákat vív egymással az Intel és az NVIDIA. Ennek elsősorban az Intel Larrabee nevű fejlesztése az oka. Ez a chip több általánosan programozható és viszonylag egyszerű felépítésű processzormagot tartalmaz, ami teljesen új koncepció a grafikus kártyák piacán. A kékek nyilvánvalóan termékük tökéletességét hirdetik, míg a zöldek elég negatív nyilatkozatokkal hívják fel a figyelmet az eszköz hibáira. Az AMD hivatalos véleményét nem lehet tudni, ők ebben a nyilatkozatháborúban inkább csak külső szemlélőként vesznek részt. A Larrabee megjelenéséig még legalább két év van hátra, de már most világossá vált a csatában résztvevő cégek vezetői számára, hogy a vesztes nagy árat fog fizetni. Az NVIDIA teljes mértékben kiáll a DirectX logikai futószalagja mellett, ami nem csoda, hiszen a felépített GeForce birodalomban majd egy évtized munkája van benne. Az Intel kvázi új szereplő lesz az önálló grafikus kártyák piacán, így alapvetően a befektetett pénzen kívül minimális a vesztenivalója. Az AMD egyfajta kakukktojásnak tűnik a harcban, ugyanis nekik alapvetően mindegy, merre halad tovább a kor, hiszen technológiáikkal mindkét irányvonal kényelmesen követhető. Az NVIDIA ellen tökéletes fegyvert jelentenek jelenleg az R600 mikroarchitektúrára épülő termékek, míg az Intel ellen egy megfelelően felépített Fusion rendszer vehetné fel a harcot. Nehéz megjósolni, hogy mit hoz a távolabbi jövő, de mindenképp kiindulhatunk egy-két vezető fejlesztő elképzeléséből, és a jelenlegi renderelő futószalag esetleges gyenge pontjaiból.
A render futószalag változásai [+]
Érdemes a mellékelt képre vetni egy rövidke pillantást. Az ábra azt vázolja fel, hogy kezdetben minden grafikai program egy szoftveresen definiált renderelő futószalagot használt. A számítások teljes egészében a processzort terhelték. A DirectX futószalagja tulajdonképpen egy előre definiált render. Az alapjai az 1992-ben megjelenő IrisGL-re épülő OpenGL API-ban bemutatott szerkezetnek feleltethetők meg. A logikai felépítése modellezés esetén geometrikus traszformációkra épül, míg a leképzésre a raszterizálást használja. Ez a struktúra a mai napig nem változott, csak egyes elemei bővültek a kornak megfelelően. A DirectX 11 felépítése pedig már feszegeti a fenti két eljárás elméleti határait. A geometrikus transzformációkra épülő modellezés a tesszellátor bevezetésével gyakorlatilag elérte fejleszthetősége csúcsát. Talán egy apró lépcsőfokot jelenhet még az egyénileg definiálható tesszellációs algoritmusok bevezetése, de ez igazából nem számítana kiemelkedő ugrásnak a jelenlegi fix funkciós egységhez képest.
Persze nem feltétlenül kell a modellezésnek a geometrikus transzformációkra építeni, mert van más megoldás is, melynek neve Voxel Space. A közhiedelemmel ellentétben a messze nem újkeltű eljárást jelenleg elsősorban az orvosi képfeldolgozásnál használják. A játékok szempontjából régebben lehetet voxeles rendszerrel találkozni. Hogy példa is legyen szem előtt, az Outcast nevű játék ezt az eljárást használja, emellett érdemes megemlíteni Ken Silverman Voxlap nevű motorját is. De mi is a voxel definíciója? Tulajdonképpen a virtuális térfogat egyfajta elemi egysége, ahogy a pixel a kép területének a legegyszerűbb megközelítése. A név is innen ered: Volumized Pixel. Voxelnek a 3D-s motorban előre definiálhatót szélessége, magassága és mélysége van; minél kisebb ennek az egységnyi értéke, annál jobb lesz a grafika, viszont a teljesítményigény is ennek megfelelően növekszik. A technika nagy előnye, hogy a poligonhoz képest sokkal kevesebb adatmennyiséget kell tárolni a memóriában, hátránya azonban, hogy ez az adattároló esetében nem igaz, így egy voxeles program viszonylag méretes is lehet. Nagyon jó alkalmazási területe a Voxelnek a terep kirajzolása, ugyanis tökéletesen leképezhetők vele a barlangok és más kiálló ívek, emellett a technológia alapjai miatt viszonylag kevés erőforrásigénnyel még rombolhatóvá is lehet tenni a virtuális térséget. Általános probléma azonban, hogy a közelben lévő voxelek esetenként nagy kockákat eredményezhetnek. Hasonló a jelenség az aliasing problémához, mely a pixelekből felépülő képeknél fedezhető fel. Ennek csillapítására számtalan kis trükk létezik. Legegyszerűbb megoldás, ha a pixel színének meghatározásához nem csak a hozzá tartozó, hanem a környező voxelek értékeit is figyelembe vesszük.
Sugárkövetés
Az Intel Larrabee bemutatók visszatérő anyaga. A sugárkövetés, idegen szóval ray-tracing a raszterizálás riválisának tekinthető. Technikailag a ray-tracing előnye, hogy nem csak poligon alapú felületekkel képes dolgozni. A számítás szempontjából csak az az információ számít, hogy a fényforrásból kiinduló sugár hol metszi az adott objektumokat. A ray-tracing lényege, hogy a virtuális térben leírt környezetből a fénytan törvényeihez hasonlóan történik a képkockák leképzése. A fénysugarak útját a fényforrásból kell addig nyomon követni, amíg az a nézőpont irányában át nem halad a kép egyik pixelén. Közben persze rengeteg interakció történhet a virtuális térben, így a számításnál figyelembe kell venni, hogy a sugár milyen objektumoknak ütközik neki, és azok a fény mely részét tükrözik vissza, nyelik el vagy eresztik át. Ezen a ponton rögtön található egy nagy probléma: közel sem biztos, hogy a fényforrástól követett fény valaha is eléri a képernyőt. Éppen ezért teljesítmény szempontjából sokkal kifizetődőbb, ha az egész eseménysorozatot visszafelé követjük, azaz a képernyő minden pixeléből a nézőpontnak megfelelően indítunk sugarakat. Ezt backward ray-tracingnek nevezzük.
A feldolgozás menete röviden úgy zajlik, hogy a nézőpontból az adott pixelen át kilőtt sugarat vagy sugarakat (bilineáris vagy jobbminőségű szűrés esetén) követjük az eltalált felületig, majd a beesési pontból újabb sugarak indulnak ki a tükröződések, a fénytörések, illetve a fényforrások irányába. Ha az új sugarak által eltalált felület tükröző vagy áttetsző, akkor megint újabb sugarak indulnak ki az előzőeknek megfelelően. Rögtön észrevehető, hogy rengeteg kis sugár lesz a jelenetben. A számítás legkínosabb pontja a pixel végső színének meghatározása, ami a fényhez irányuló sugarak felülettel bezárt szöge alapján történik. Itt bizony a mai rendszerek számítási teljesítmény szempontjából elhasalnak. Arról nem is beszélve, hogy a különböző virtuális anyagok másképp reagálhatnak a fényre, így az árnyalási modelleket sem szabad figyelmen kívül hagyni. Alapvetően elmondhatjuk, hogy a ray-tracing a raszterizálásnál jobb képminőséget állíthat elő, de nagyságrendekkel magasabb teljesítményigénnyel rendelkezik. A manapság használt raszteres grafika a shaderekkel kiegészítve ugyan az esetek többségében egyfajta utánzott (csúnyán fogalmazva fake) eredményt kelt, de összhatásban rendkívül ütőképes.
A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!
