ATI CHIP TECHNOLOGY

Man sagt, der Teufel stecke im Detail. Das wird jeder bestätigen können, der realistische 3D-Objekte und Umgebungen erstellt. Für ein natürlich wirkendes Objekt müssen unendlich viele unscheinbare Einzelheiten berücksichtigt werden. Die Art, wie strahlendes Licht von einer glänzenden Oberfläche reflektiert wird. Die Art, wie sich das eigene Gesicht in einem Messingtürgriff spiegelt. Die feinen Schatten, die jedes Objekt durch jede Lichtquelle wirft. Die feinen, filigranen Strukturen von Holz, Textilien oder Stein. Diese Details mögen unwichtig erscheinen, aber sie fallen gerade dann auf, wenn sie fehlen.

3D-Spiele werden immer detailreicher. Der Aufwand zur Berechnung der Bildpunkte einer Szene wurde beträchtlich gesteigert. Leider verursachen derart feine Details so hohe Leistungseinbußen, dass sie kaum dargestellt werden können. Mit der einzigartigen Pixel-Tapestry-Architektur von ATI sind nun endlich sehr detailreiche 3D-Objekte und -Umgebungen ohne Performance-Verluste realisierbar.

PIXEL TAPESTRY™-Architektur

Die neuen Grafikkarten von ATI verwenden das derzeit modernste und flexibelste Textursystem. Pixel Tapestry ist die erste und einzige Grafik-Architektur, die über drei unabhängige Textur-Einheiten in jeder Rendering-Pipeline verfügt. Mit den neuen Möglichkeiten dieser einzigartigen Architektur können 3D-Oberflächen realistischer und detailreicher dargestellt werden als jemals zuvor.

Drei gefilterte Texturen je Pixel - Bei voller Geschwindigkeit Gegenwärtige Grafikprozessoren verfügen nur über eine oder zwei Textureinheiten je Rendering-Pipeline. Sie können in einem Arbeitstakt maximal zwei Texturen auf ein Pixel anwenden, was bei einer Textureinheit je Pipeline sogar zwei Rendering-Pipelines für ein Pixel beansprucht. Damit sinkt die Füllrate dieser Produkte glatt auf die Hälfte, sobald zwei Texturen je Pixel verwendet werden. Eine dritte Textur kann erst im nächsten Arbeitstakt aufgetragen werden, was die Füllrate nochmals um die Hälfte reduziert. Damit brauchen die meisten aktuellen Grafikchips für drei Texturen je Pixel die vierfache Zeit. Selbst Produkte mit zwei Textureinheiten je Pipeline brauchen für drei Texturen doppelt so lange wie für eine Textur. Die zur Ausgabe eines Pixels benötigte Anzahl an Arbeitsschritten wird daher für eine angemessene Grafikleistung immer wichtiger.

Zu den am häufigsten genannten Faktoren für die Beurteilung der Grafikleistung zählt die "Maximale Füllrate". Der Wert gibt die Anzahl Pixel an, die ein Grafiksystem maximal pro Sekunde auf dem Bildschirm darstellen kann. Die maximale Füllrate wird jedoch unter der Annahme bestimmt, dass jedes Pixel mit nur einer ungefilterten Textur versehen ist. Tatsächlich verwenden 3D-Spiele bereits heute sehr häufig gefilterte Mehrfachtexturen. Aus diesem Grund verlieren Grafikchips ohne vollwertiges Multi-Texturing sehr schnell an Leistung, sobald mehrere Texturen für einzelne Pixel eingesetzt werden. Das folgende Diagramm veranschaulicht, dass Grafikchips mit mehreren Textureinheiten je Rendering-Pipeline auch bei vielen Texturen je Pixel höchste Leistung erreichen.

Und als ob das nicht schon schlimm genug wäre, verschärfen Probleme mit der Speicherbandbreite das Ganze noch weiter. Für jede zusätzliche Textur muss ein Pixel zunächst in den Frame-Buffer geschrieben und dann von dort wieder gelesen werden, um es mit der nächsten Textur versehen zu können. Die so vergeudete Speicherbandbreite könnte besser darauf verwendet werden, das nächste Pixel in der Pipeline darzustellen. Der größte Vorteil von Pixel Tapestry ist die Möglichkeit, auf jedes Pixel einer Szene drei gefilterte Texturen anzuwenden, ohne Leistung zu verschenken. Mit drei Textureinheiten je Rendering-Pipeline können zusätzliche Texturen im selben Arbeitstakt auf ein Pixel angewendet werden, ohne eine zweite Rendering-Pipeline zu beanspruchen oder Speicherbandbreite durch unnötige Zugriffe auf den Frame-Buffer zu verschwenden.

Die meisten aktuellen 3D-Spiele nutzen das Multitexturing bereits jetzt sehr intensiv. Die eigentliche Textur eines Objekts kann mit Light-Maps, Shadow-Maps, Reflexionen, Bump-Maps, Specular-Maps, Detailtexturen usw. überlagert werden. Bei den zur Zeit leistungsstärksten Grafikprozessoren verdoppelt jede zusätzliche Textur die Berechnungszeit. Jede zusätzliche Textur lässt die Oberfläche detailreicher und realistischer erscheinen, doch mehr als ein oder zwei weitere Texturen bremsen selbst den schnellsten Chip aus. Mit Pixel Tapestry bedeuten dagegen auch zwei zusätzliche Texturen keinen merklichen Leistungsverlust.

3D-Texturen

3D-Texturen sind eine vielversprechende neue Funktion der Pixel Tapestry-Architektur von ATI. Obwohl Polygone zur Darstellung von 3D-Objekten eingesetzt werden, ist ein Polygon selbst eine 2D-Oberfläche. Daher verwendet jede herkömmliche Grafikhardware zweidimensionale Texturen für diese Flächen. Diese 2D-Texturen werden wie Aufkleber an den Polygonen angebracht. Eine 3D-Textur ist ein Körper aus 3D-Punkten (Texel), so wie eine 2D-Textur eine Fläche aus 2D-Punkten (Pixel) ist. Obwohl diese Textur theoretisch Raum beansprucht, ist sie nur dort sichtbar, wo sie Polygone schneidet. 3D-Texturen sind sehr vielseitig einsetzbar, um 3D-Szenen realistischer zu gestalten. Beispielsweise kann eine transparente oder durchscheinende Kugel um eine Lichtquelle gelegt werden, um den Lichthof um eine Lampe darzustellen. Die Textur wäre im Zentrum der Kugel am hellsten und würde mit zunehmender Entfernung von der Lichtquelle immer dunkler erscheinen. Jede diese Kugel durchdringende Polygonoberfläche, z.B. von Mauern, Objekten oder Spielfiguren, würde entsprechend der Entfernung von der Lichtquelle realistisch beleuchtet. Dieses Verfahren zur Darstellung dynamischer Lichtquellen ist wesentlich einfacher, eleganter und flexibler als die zur Zeit häufig eingesetzten Light-Maps. Diese Texturen können auch ohne Weiteres in Echtzeit verändert werden, etwa um flackernde oder pulsierende Lichtquellen darzustellen. Damit können auch solche Lichtquellen genau dargestellt werden, die eine räumliche Ausdehnung haben, also nicht punktförmig sind. Die folgende Abbildung zeigt den Unterschied zwischen einer mit 3D-Texturen modellierten zylindrischen Lichtquelle und einer punktförmigen Lichtquelle in einer Szene. Beachten Sie die weichen Schatten im rechten Bild:

3D-Texturen können außerdem sehr effektvoll für dynamische oder prozedural erzeugte Körper verwendet werden. Stellen Sie sich einen Würfel aus Marmor vor. Der Würfel könnte als einfaches geometrisches Modell mit einer würfelförmigen 3D-Textur definiert sein. Wenn aus diesem Modell nun ein Stück herausgeschnitten wird, wird durch die 3D-Textur die Maserung des Marmorwürfels an den Schnittflächen dennoch korrekt dargestellt. Mit herkömmlichen 2D-Texturen müsste man neue Texturen erzeugen oder vordefinierte Texturen verwenden, um diesen Effekt zu erzielen. Die folgende Abbildung zeigt, wie diese Technik für Visualisierungen in der Medizin eingesetzt werden kann:

Diese Beispiele lassen die Vorteile von 3D-Texturen nur erahnen. Die Spieleentwickler werden sich sicher noch ganz andere Anwendungen für diese Funktion einfallen lassen. OpenGL® 1.2 unterstützt bereits jetzt 3D-Texturen, und DirectX® wird diese Funktion wahrscheinlich auch bald beherrschen.

Bump Mapping

Bump-Mapping bezeichnet eine Reihe von Verfahren, mit denen dreidimensionale Oberflächendetails mit Hilfe von Multitexturing simuliert werden, ohne die Geometrie des Objektes zu verändern oder zusätzliche Polygone einzusetzen. Dieser Effekt kann mit drei verschiedenen Verfahren erreicht werden, von denen jedes für einen bestimmten Anwendungsfall geeignet ist. Bisherige Grafikarchitekturen unterstützen eines oder zwei dieser Verfahren, während die Pixel Tapestry-Architektur von ATI alle drei beherrscht. So kann für jede Anwendung das am besten geeignete Verfahren gewählt werden.

Emboss

Die einfachste und leider auch am wenigsten realistische Methode ist das sogenannte Emboss-Bump-Mapping. Für diesen Effekt wird eine als "Höhenfeld" (Height-Map) bezeichnete Textur eingesetzt. Die Farbe jedes Texels dieses Feldes stellt die jeweilige Bump-Höhe dar. Die Bump-Map wird erzeugt, indem diese Textur um einen oder mehrere Pixel gegen die Lichtquelle verschoben und vom Original abgezogen wird. Diese Bump-Map wird dann mit der Ausgangstextur kombiniert. Das Emboss-Bump-Mapping ist am einfachsten zu implementieren, da es im Gegensatz zu anderen Verfahren nicht den Einsatz spezieller Texturformate erfordert.

Dot Product 3

Dot Product 3 ist ein genaueres und flexibleres Bump-Mapping-Verfahren. Es arbeitet mit einer speziellen Bump-Map-Textur. Zu jedem Pixel der Textur existiert ein 3D-Vektor, der die Neigung der Oberfläche darstellt. Zu jedem Pixel der Bump-Map wird dann ein weiterer Vektor erzeugt, der auf die Lichtquelle zeigt. Anhand des Skalarprodukts (Dot Product) dieser beiden Vektoren wird dann bestimmt, in welche Richtung das Licht von der Oberfläche reflektiert wird. Mit dieser Methode erhält man eine pixelgenaue Bump-Map, durch die die Oberfläche bei Lichteinfall sehr detailliert erscheint.

Environment Mapped Bump Mapping (EMBM)

Das detailreichste und flexibelste Verfahren ist das Environment-Mapped-Bump-Mapping (auch EMBM oder Perturbation Bump Mapping). Emboss- und Dot Product 3-Bump-Mapping sind gut geeignet für matte Objekte, können aber kaum auf glänzende oder reflektierende Oberflächen wie Metall, Kunststoff oder Flüssigkeiten angewendet werden. Es ist mit ihnen außerdem nicht möglich, die Height-Map in Echtzeit zu verändern, um beispielsweise Kräuselungen im Wasser darzustellen. EMBM bietet diese Möglichkeiten, erfordert aber mehr Rechenleistung und weitere Texturen. Ebenso wie das Dot Product 3-Bump-Mapping verwendet EMBM spezielle Texturen als Bump-Maps. Zusätzlich wird eine eigene Environment Map für die Reflektionen benötigt. Mit dieser Textur wird die Oberfläche "gestört", bevor sie mit der eigentlichen Textur kombiniert wird, damit sie reflektierend und gleichzeitig uneben wirkt.

Detaillierte Texturen sind nur der erste Schritt zu lebensecht dargestellten Objekten. Texturen können auf viele verschiedene Arten auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Mit jeder dieser Methoden kann ein bestimmter Effekt erreicht werden. Diese Effekte werden mit Texturtransformationen erreicht. Diese Transformationen verwenden verschiedene mathematische Formeln, um Texturkoordinaten zu erzeugen. Alle unten aufgeführten Techniken könnten mit reiner Software ausgeführt werden, verschlängen aber soviel Rechenzeit, dass die Systemleistung einbrechen würde. Daher werden sie in aktuellen Spielen kaum eingesetzt. Die Pixel-Tapestry-Architektur von ATI löst dieses Problem durch ihre Hardwarebeschleunigung für Texturtransformationen. Mit Pixel Tapestry können diese wunderschönen Funktionen endlich praktisch eingesetzt werden!

Das Spherical Environment Mapping verwendet eine einzige Textur als Spiegeltextur. Ein Beispiel zur Erklärung des Verfahrens: Stellen Sie sich vor, Sie stehen still und bewegen nur den Kopf. Je nachdem, in welche Richtung Sie schauen, sehen Sie ein anderes Bild. Stellen Sie sich nun vor, Ihr Sichtbereich würde auf eine Kugel aufgemalt, in deren Zentrum Sie stehen. Wenn dieses Bild flach ausgebreitet würde, wäre es wie eine Spherical-Spiegeltextur oder eine Environment-Map. Diese Environment-Map kann um dreidimensionale Objekte gelegt werden, um realistische Reflexionen zu erzeugen, wie die folgende Abbildung zeigt:

Das größte Problem ist der zwangsläufig feste Standort des Betrachters. Wenn der Betrachter (in der Mitte der Kugel) sich bewegt, muss die gesamte Textur neu berechnet werden. Und wie bei jeder anderen Projektion einer Kugel können sich deutliche Störungen in der Reflexion zeigen, da die Oberfläche einer Kugel sich nur schwierig auf eine ebene Fläche abbilden lässt. Spherical Environment Mapping eignet sich gut für Glanzlichter auf unbeweglichen, glänzenden Objekten, und es kann gut mit Environment Mapped Bump Mapping kombiniert werden. Sein Speicherbedarf ist von allen Environment Mapping-Verfahren der geringste.

Das Dual-Paraboloid Environment Mapping ist komplexer als das Spherical-Verfahren und verwendet zwei Texturen als Environment-Maps, von denen eine die Umgebung vor dem Objekt und die andere die Umgebung hinter dem Objekt darstellt. Die Texturen sind quadratisch, werden aber mathematisch in die Form einer Halbkugel umgewandelt. Der Vorteil des Dual-Paraboloid Environment Mapping ist seine Unabhängigkeit vom Standort des Betrachters. Daher müssen die Spiegeltexturen nicht neu erstellt werden, wenn der Betrachter sich bewegt, wie dies beim Spherical Environment Mapping der Fall ist. Stattdessen werden die Texturkoordinaten aktualisiert und die Textur neu aufgetragen. Der Nachteil besteht darin, dass die Texturen aufgrund der aufwendigen Umwandlung nicht so schnell erzeugt und aktualisiert werden können, wie dies beim Cubic Environment Mapping der Fall ist. Das Dual Paraboloid-Verfahren benötigt weniger Speicherplatz als das Cubic-Verfahren und eignet sich daher gut für komplexe Reflexionen, die nicht dynamisch aktualisiert werden müssen.

Das Cubic Environment Mapping ist das flexibelste und gleichzeitig komplexeste Environment Mapping-Verfahren. Es verwendet sechs Environment-Maps, die jeweils eine Seite eines Würfels darstellen, in dessen Zentrum sich der Betrachter befindet. Siehe folgende Abbildung:

Dieses Environment-Mapping-Verfahren hat einige Vorteile. Die verwendeten Spiegeltexturen sind einfache Quadrate und daher leicht in Echtzeit zu erstellen und zu aktualisieren. Das Verfahren ist ebenfalls unabhängig von der Position des Betrachters, so dass die Spiegeltexturen nur aktualisiert werden müssen, wenn die Szene sich ändert. Der Nachteil ist der hohe Speicherbedarf für die sechs Spiegeltexturen. Jedenfalls ermöglicht es schöne Effekte, die vorher undenkbar waren - So können Sie beispielsweise sehen, wie Ihr eigenes Spiegelbild über ein Objekt wandert.

Wie bereits erwähnt, sind normale 2D-Texturen wie Aufkleber auf einer Fläche aus Polygonen. Texturtransformationen ermöglichen es nun, Texturen auf eine Oberfläche zu projizieren, so wie ein Diaprojektor ein Bild auf eine Leinwand wirft. Eine Textur kann von jedem Punkt aus "geworfen" werden und ist dann auf den Polygonen zu sehen, auf die ihr Bild trifft. Die folgende Abbildung verdeutlicht den Unterschied. Beachten Sie, wie die Standardtextur links auf den Vorhang "geklebt" wird, während die projizierte Textur rechts quadratisch bleibt:

Projective-Texturen funktionieren wie Spotlights, verfügen aber über alle Eigenschaften von Texturen, u. a. können sie gefiltert und animiert werden. So kann man sich beispielsweise einen Projektor vorstellen, der einen als animierte Textur oder als Videotextur vorliegenden Film an eine Wand projiziert. Wenn nun eine Spielfigur zwischen der Wand und dem Projektor hindurchgeht, erscheint ein Teil des Films auf der Figur und die Figur wirft einen Schatten an die Wand. Zu den interessantesten Anwendungsfällen für Projective-Texturen zählt das Shadow-Mapping, das weiter unten erläutert wird.

Die Unterstützung für Priority-Puffer ist eine weitere Innovation der Pixel-Tapestry-Architektur. Ein Priority-Puffer sortiert Polygone und/oder Objekte nach der Entfernung vom Standort der Spielfigur. Ein sehr nahes Objekt oder Polygon erhält die Nummer 1, das nächste die Nummer 2 usw. Dieses Verfahren ähnelt dem eines Z-Puffers oder Tiefenpuffers, mit dem Unterschied, dass die Objektanordnung dort wichtiger ist als die Entfernung vom Betrachter. Priority-Pufferung kann per Software ausgeführt werden, was aber für komplexe 3D-Szenen zu langsam wäre. Pixel Tapestry ist die erste Grafik-Architektur mit Hardwarebeschleunigung für Priority-Puffer. Priority-Puffer können vielseitig eingesetzt werden. Sehr nützlich sind sie vor Allem in Kombination mit Projective-Texturen für den Einsatz von Shadow-Mapping. Diese brandaktuelle Funktion wird im Folgenden beschrieben.

Schatten sind ein sehr wichtiger Bestandteil eines 3D-Bildes. Sie lassen Lichteffekte realistischer erscheinen und verleihen einen gewissen Tiefeneindruck. Die Erzeugung korrekter 3D-Schatten kann, vor allem in dynamischen Umgebungen mit vielen beweglichen Objekten und Lichtquellen, sehr schwierig sein.

Aktuelle Spiele verwenden in der Regel höchstens vorberechnete Schatten. Diese sehen sehr realistisch und natürlich aus, haben aber den Nachteil, dass sie nicht mit beweglichen Lichtquellen oder variierenden Charaktermodellen eingesetzt werden können. Einige Spiele verwenden ein moderneres Verfahren zur Erzeugung volumetrischer Schatten. Dazu müssen zusätzliche Polygone erzeugt werden, die hinter einem Charakter oder einem Objekt einen Schattenumriss bilden. Aus diesem Schattenumriss wird dann mit einen Stencil-Puffer ein dynamischer Schatten erzeugt. Diese Schatten sind deutlich flexibler als vorberechnete Schatten, haben aber einige Nachteile. Jeder Schatten erzeugt zusätzliche Polygone, die transformiert und verarbeitet werden müssen und so die Grafikleistung beeinträchtigen. Sehr komplexe Sonderfälle wie Objekte, die Schatten auf sich selbst werfen, etwa der Arm einer Figur, der einen Schatten auf den eigenen Körper wirft, oder Oberflächen mit Rundungen können mit diesem Verfahren praktisch nicht berücksichtigt werden.

Shadow Mapping ist eine wesentlich einfachere und elegantere Lösung, die mit Hilfe von Priority-Puffern umgesetzt werden kann. Die Szene wird aus Sicht der Lichtquelle so im Priority-Puffer abgebildet, dass das dem Licht am nächsten gelegene Objekt die höchste Priorität bekommt, das nächste Objekt die zweithöchste usw. Die niedrigste Priorität erhalten Hintergrundobjekte, die keinen Schatten werfen. In der Reihenfolge des Priority-Puffers werden dann für alle Objekte Schattentexturen erstellt, indem der Umriss der Objekte gerendert wird. Die Schattentextur wird schließlich von der Lichtquelle in die Szene projiziert und ergibt dann zusammen mit Light-Maps und den eigentlichen Texturen der Oberflächen das endgültige Bild. Dieser Vorgang wird in der folgenden Abbildung verdeutlicht:

Das Shadow Mapping hat gegenüber herkömmlichen Verfahren viele praktische Vorteile. Es erfordert wesentlich weniger Rechenleistung als volumetrische Schatten, da es statt vieler Polygone nur eine Textur je Lichtquelle benötigt. Mit hardwarebeschleunigten Texturtransformationen sind mehrere bewegliche Lichtquellen kein Problem mehr und die Schatten sind auch auf anderen Objekten zu sehen. Mit dem Priority-Puffer ist es auch wesentlich einfacher, Objekte zu schaffen, die auch auf sich selbst Schatten werfen.

Nebel ist ein schöner und sehr vielseitig einsetzbarer Effekt. Die meisten Grafikchips verwenden ein vereinfachtes Verfahren, bei dem die Dichte des Nebels direkt von der Tiefe des Objektes abhängt, also der Entfernung von der "Ebene" des Betrachters. Die Pixel-Tapestry-Architektur stellt Nebel realistischer dar, indem sie die Dichte des Nebels von der Entfernung des Objekts abhängig macht, also der direkten Entfernung zwischen dem Betrachter und dem Objekt. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Vorteile von entfernungsabhängigem Nebel:

Die Texturfilterung ist eine wichtige Technik, die in den letzten Generationen der 3D-Grafikbeschleuniger eingeführt wurde. Obwohl 3D-Objekte aus Polygonen aufgebaut sind und somit beliebig vergrößert werden können, handelt es sich bei den auf den Oberflächen verwendeten Texturen um Bitmaps mit einer festen Auflösung. Ohne Filterung wird die Farbe eines Pixels der Oberfläche aus einem einzelnen Texel bestimmt. Dieses Verfahren wird als Point Sampling bezeichnet. Je näher man einer mit Point Sampling texturierten Oberfläche in einer 3D-Umgebung kommt, desto mehr verliert die Textur an Details. Die Oberfläche erscheint eckig und unschön. Das erste Filterverfahren, mit dem versucht wurde, dieses Problem zu lösen, war die bilineare Filterung. Dabei werden jeweils 2 vertikal und 2 horizontal benachbarte Texel, also insgesamt 4 Texel, anhand eines gewichteten Mittelwerts überblendet, um die Farbe eines Pixels zu bestimmen.

Mit der Bilinearen Filterung kann die Bildqualität bereits deutlich verbessert werden, solange die verwendeten Texturen zumindest annähernd quadratisch sind. Dieses Verfahren ist allerdings weniger geeignet für Oberflächen, die in einem steilen Blickwinkel zum Betrachter stehen. In diesem Fall muss die Textur in eine Richtung gestreckt werden, was die Auflösung der Textur in dieser Richtung gegenüber der anderen stark reduziert. Das führt dazu, dass die Textur in der Nähe des Betrachters scharf und detailliert erscheint, während weiter entfernte Bereiche unscharf wirken. Die Lösung für diese Situation bietet eine modernere Art der Filterung, die anisotropische Filterung. Im Gegensatz zur bilinearen Filterung werden dabei mehr Texel für die Richtung ausgewertet, in die die Textur gestreckt wurde, um keine Details zu verlieren.

Die Wirkung einer anisotropischen Filterung wird bestimmt durch die maximale "Anisotropie", die sie zulässt. Dieser Wert bestimmt, wie weit eine Textur gestreckt werden kann, ohne dass die Bildqualität abnimmt. Die Pixel-Tapestry-Architektur lässt erstmals ein Anisotropieverhältnis von 16:1 zu und damit wesentlich mehr als jedes andere Grafikprodukt. Dadurch bleiben Texturen immer scharf und klar, egal in welchem Winkel der Betrachter sie sieht. Besonders wichtig ist dies bei Text, wie die folgenden Beispiele verdeutlichen:

In letzter Zeit wurden Antialiasing-Effekte wie Full-Scene-Antialiasing, Bewegungsunschärfe, Feldtiefe oder weiche Reflektionen oft als Weg zu realistischeren 3D-Szenen gesehen. Alle Effekte nutzen dafür einen Akkumulationspuffer, in dem Teile der Szene weichgezeichnet oder geglättet werden. Diese Effekte sind zwar der Grafikleistung abträglich, aber für einige Anwendungen wie niedrigauflösende Displays und 3D-Schnitte sowie begrenzte Spezialeffekte durchaus von Interesse. Daher unterstützt die Pixel-Tapestry-Architektur von ATI alle diese Effekte.

Der Begriff "Antialiasing" beschreibt einige visuelle Phänomene, die durch niedrigauflösende Anzeigegeräte verursacht werden. Dazu zählen die zackigen "Treppeneffekte" an Objektkanten sowie Durchscheinen und Aufblitzen bei schmalen Objekten, die aus der Ferne betrachtet werden. Je geringer die Auflösung der Ausgabe, desto stärker sind diese Effekte ausgeprägt. Als räumliches Antialiasing bezeichnet man eine Reihe von Verfahren zur Beseitigung dieser Effekte. Viele der derzeitigen Grafik-Chips wenden eine begrenzte Form des räumlichen Antialiasing - das sogenannte "Edge Antialiasing" - an, bei der über einen Algorithmus versucht wird, in einer Szene stark betonte Kanten zu finden und diese zu glätten. Leider erfordert diese Methode einen beträchtlichen Aufwand an Vorberechnungen und Sortieren von Polygonen, so dass sie für die meisten Anwendungen nicht in Frage kommt.

Besser eignet sich die effektive und flexible Technik des Full-Scene-Antialiasing. Statt durch Erkennung der stark betonten Kanten in einer Szene werden hierbei Aliasing-Artefakte durch das sogenannte Supersampling verringert und beseitigt. Die Szenen werden in einer höheren Auflösung als der Ausgabeauflösung berechnet. Danach wird das Bild gefiltert und auf die gewünschte Auflösung skaliert. Das Ergebnis ist eine größere Detailgenauigkeit im ausgegebenen Bild, wodurch die Aliasing-Artefakte vermindert oder beseitigt werden.

Diese Methode verbessert zwar die Qualität von 3D-Bildern mit niedriger Auflösung, allerdings müssen immer mehrere Versionen eines Bildes gerendert werden (Erhöhung der Füllratenanforderungen um das vierfache oder mehr), wodurch das Verfahren für höhere Auflösungen unbrauchbar wird. Die diesjährigen Grafik-Chips werden 3D-Spiele mit glatten hochwertigen Bildern bei Auflösungen von 1280x1024 und höher ermöglichen. Bei diesen Auflösungen ist es jedoch schwer, Aliasing-Artefakte zu erkennen und viele Benutzer ziehen daher eine verbesserte Bildschärfe und -qualität einem geglätteten Bild mit niedriger Auflösung vor.

Bewegungsunschärfe Es gibt einen großen Unterschied zwischen bewegten, in Echtzeit gerenderten, 3D-Bildern und bewegten Bildern, die über eine Videokamera auf Film aufgenommen werden. Im Falle der Videokamera wird ein Bild erzeugt, indem eine Blende in einem Objektiv für kurze Zeit geöffnet und das Filmmaterial belichtet wird. Bewegt sich ein Objekt vor der geöffneten Blende, erzeugt diese Bewegung auf dem Film einen Unschärfeeffekt. In den einzelnen Bildern des Films ist diese Unschärfe klar, jedoch ist sie nicht zu sehen, wenn der Film auf einer Leinwand oder einem Fernseher abgespielt wird. In gerenderten 3D-Bildern erscheinen bewegte Objekte nicht unscharf. Egal wie schnell sie sich bewegen, sie bleiben immer scharf. Durch die Unschärfe wirken Bewegungen auf Fernsehern und Leinwänden glatter und flüssiger als auf einem PC-Monitor. Die Monitore müssen dies durch wesentlich höhere Frame-Raten ausgleichen (mindestens 60 Bilder pro Sekunde, verglichen mit 24 Bildern pro Sekunde bei einem Filmprojektor).

Der weiche Übergang zwischen den Bildern kann ohne eine Erhöhung der Frame-Rate nur durch die sogenannte Bewegungsunschärfe (auch temporäres Antialiasing) simuliert werden. Hierbei werden Kopien aufeinanderfolgender Bilder in einem Akkumulationspuffer gespeichert und zu einem Einzelbild zusammengefügt, in dem das bewegte Objekt in Bewegungsrichtung weichgezeichnet wird. Je mehr Kopien gespeichert werden, desto besser der Effekt. Die Abbildung unten zeigt, wie bei der Pixel-Tapestry-Architektur von ATI von den drei Textureinheiten ein Bewegungsunschärfeeffekt von 4 Frames erzeugt wird.

So wie Full-Scene-Antialiasing zur Qualitätsverbesserung niedrigauflösender Bilder verwendet wird, können mit der Bewegungsunschärfe niedrige Frame-Raten ausgeglichen werden. Je höher die Frame-Raten, desto weniger fallen die Unschärfeeffekte ins Auge. Bei Raten von 60 und mehr Frames pro Sekunde fängt das menschliche Auge sogar ganz automatisch an, einen unscharfen Übergang von aufeinanderfolgenden Bildern wahrzunehmen. Auch hier ziehen die meisten Benutzer eine durch hohe Frame-Raten gewährleistete genaue Steuerung und schnelles Ansprechen den niedrigen Frame-Raten mit Bewegungsunschärfe vor.

Unterschiedliche Materialien haben verschiedenste Reflektionseigenschaften von matt (keine Reflektion) bis spiegelnd (fast vollständige Reflektion). Viele Materialien wie Kunststoffe oder lackierte Oberflächen reflektieren zwar, erzeugen aber nur ein unscharfes Teilbild der Umgebung. Zur realistischen Reproduktion dieses Effekts können die Reflektionen geglättet oder weichgezeichnet werden. Das Ergebnis ist eine "weiche" Reflektion. Ebenso produzieren die meisten Lichtquellen keine Schatten mit scharfen Kanten. Mit Hilfe des Antialiasing lassen sich auch realistischere Schatteneffekte erzielen.

Diese Effekte verwenden einen Akkumulationspuffer, in dem mehrere Kopien der Reflektion oder des Schattens eines Objektes gespeichert werden, die dann zum endgültigen Bild zusammengefügt werden. Wie auch bei den anderen Glättungseffekten gilt auch hier: je mehr Kopien, desto besser das endgültige Bild. Allerdings müssen dafür geringere Leistung und niedrigere Frame-Raten in Kauf genommen werden. Genau betrachtet sorgen diese unscheinbaren Effekte für eine deutlich bessere 3D-Qualität bei akzeptablen Frame-Raten.

Eine weitere Glättungsanwendung ist das sogenannte fokussierte Antialiasing, bei der die Unschärfe in Teilen des Bildes von der Entfernung des Betrachters abhängt. Dadurch lassen sich Tiefenschärfeneffekte simulieren. Auch der Fresnel-Effekt lässt sich reproduzieren. Hierbei erscheint ein Bild als betrachte man es durch Mattglas.

Wie sie an der Menge der bisher beschriebenen Themen erkennen können, ermöglicht die Pixel-Tapestry-Architektur von ATI die Anwendung einer ganzen Reihe von Effekten auf 3D-Oberflächen, um diese realistischer und detailreicher erscheinen zu lassen. Mit dem RADEON-Grafikprozessor werden alle diese Funktionen auf Echtzeit beschleunigt, damit die maximale Leistung erzielt werden kann. Doch die Spieleentwickler sind sehr kreative Köpfe und es wachsen ständig neue Ideen für neue grafische Methoden für einen gewünschten visuellen Effekt. In der Vergangenheit konnten die neuen Techniken nicht per Hardware beschleunigt werden, ohne dass ein neuer Grafik-Chip entwickelt wurde. Daher mussten Spieleentwickler oft unbeschleunigte Software-Routinen schreiben, wenn sie ihre neuen Techniken verwenden wollten. Eine solche Lösung erfordert ein so hohes Maß an Leistung, dass die Umsetzung daran scheitert. Manche Entwickler sahen sich gezwungen, die Funktion gänzlich aus dem Spiel herauszulassen und zu hoffen, sie in der nächsten Spielversion unterbringen zu können, sobald den Anwendern schnellere Hardware zur Verfügung stehen würde.

Durch programmierbare Pixelschattierung erhalten die Spieleentwickler neue Freiheiten bei der Gestaltung anspruchsvoller visueller Effekte. Hierbei wird durch eine einfache Routine die Farbe eines Pixels auf der Basis einer Reihe von Eingangswerten (Basismaterial, Farbe, Lichtfarbe, Reflektionsverhalten der Oberfläche, Unebenheit, Transparenz usw.) bestimmt. Die Pixel-Tapestry-Architektur ermöglicht die Programmierung solcher Pixelschattierungen direkt im Grafikprozessor, so dass diese Routinen von der Hardware beschleunigt werden können.

Die Pixel-Tapestry-Architektur unterstützt bis zu drei Stufen mathematischer Operationen mit je bis zu drei Eingangswerten, die pro Szene auf jedes Pixel angewendet werden können. Jede Stufe der Schattierungsroutine kann die Ergebnisse einer vorangegangenen Stufe als Eingangswert verwenden. Dabei können eine Reihe von Berechnungen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation, Alpha-Blending und Dot-Product durchgeführt werden. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Flexibilität der Pixelschattierungs-Hardware im RADEON Grafikprozessor:

Schöne Bilder sind nur ein Teil von realistischen und fesselnden 3D-Welten. 3D-Spiele sind interaktive Anwendungen. Ganz gleich wie detailgenau eine 3D-Umgebung dargestellt wird, die Illusion der Realität bröckelt, wenn die nahtlose und sofortige Reaktion auf Ihre Aktionen ausbleibt. Wenn Sie in Wirklichkeit Ihren Kopf drehen, ändert sich das von Ihren Augen gelieferte Bild schließlich auch sofort. Es gibt weder Verzögerungen, Flackern noch plötzliche Sprünge von einem Bild zum nächsten. Die sanften Bewegungen und das sofortige Feedback ist den Entwicklern von 3D-Spielen so wichtig, dass sie zu Gunsten eines reibungslosen Spielverlaufs auf einem Standardsystem lieber Detailgenauigkeit und Bildqualität verringern.

Sofortiges Feedback und flüssige Bewegungen in einer 3D-Anwendung erfordern, dass Software und Hardware das dargestellte Bild so oft mit neuen Informationen aktualisieren, dass das menschliche Auge keinen Übergang bemerkt. Auf niedrigauflösenden Fernsehern oder Leinwänden werden dazu lediglich 30 oder gar nur 24 Bilder pro Sekunde benötigt. Für hochauflösende Monitore und Flachbildschirme sind jedoch 60 Bilder pro Sekunde erforderlich. Bei schnellen Action-Spielen mit plötzlichen Bewegungen, Reaktionen in Bruchteilen von Sekunden und hoher erforderlicher Zielgenauigkeit ist dies sehr wichtig.

Die Zahl, die am ehesten einen brauchbaren Wert für die relative Leistung eines Grafikprozessors bietet, ist die Füllrate. Die Füllrate ist jedoch leider kein eindeutiger Begriff, der in Statistiken unterschiedliche Bedeutungen haben kann. Wie z. B.:

Pixel-Füllrate: Die Anzahl der Pixel, die der Grafikprozessor pro Sekunde verarbeiten kann. Diese Zahl errechnet sich aus der Taktrate des Grafik-Controller multipliziert mit der Anzahl von Render-Pipelines und wird in Megapixel pro Sekunde (Mpix/s) gemessen.

Texel-Füllrate: Die Anzahl der Texel (ein Texel entspricht einem Bildpunkt eines Textur-Bitmaps), auf die der Grafikprozessor pro Sekunde zugreifen kann. Diese Zahl errechnet sich aus der Taktrate des Grafik-Controller multipliziert mit der Gesamtzahl der Textureinheiten. Dieses Produkt wird mit der Anzahl der Musterfilter multipliziert, auf die pro Takt für jedes Pixel zugegriffen werden kann (1 für Punktmuster oder ungefiltert, 4 für bilineare Filterung, 8 für trilineare Filterung usw.). Dieser Wert wird üblicherweise in Gigatexel pro Sekunde (Gtex/s) angegeben.

Effektive Füllrate: Wenn in der Werbung von Füllrate gesprochen wird, ist meistens die effektive Füllrate gemeint. Diese entspricht der Anzahl der Pixel, die ein Grafik-Chip pro Sekunde verarbeiten kann, multipliziert mit der maximalen Anzahl von Texturen, die innerhalb eines Taktes auf ein Pixel angewendet werden können (bestimmt durch die Anzahl der Textureinheiten). Dieser Wert wird üblicherweise in Megatexel oder Gigatexel angegeben (1 Gigatexel = 1000 Megatexel). Jedoch beschreiben die Füllratenwerte nur die maximale "theoretische" Leistung eines Grafikprozessors. Sie setzen voraus, dass der Prozessor immer mit 100 % Effizienz arbeiten kann, unbeeinflusst von anderen Faktoren wie der Speicherbandbreite, der Bandbreite des AGP-Bus oder der Prozessortaktung. Bei der echten Anwendung können diese Werte so gut wie nie erreicht werden.

Die Frame-Raten einer 3D-Anwendung werden von vielen Faktoren beeinträchtigt. Normalerweise gibt es immer einen Engpass, der die Leistung am meisten schmälert. Das Erfolgsrezept für echte Geschwindigkeitssteigerung ist also das Aufspüren und Beseitigen dieser Engpässe. Als beispielsweise der PCI-Bus zu einem Engpass für grafische Anwendungen wurde, wurde zu dessen Überwindung der AGP-Bus entwickelt. Durch die Einführung des AGP-Busses wurde die CPU zur neuen Schwachstelle. Diese Entwicklung wurde seither dadurch kompensiert, dass viele der grafischen Berechnungen wie Dreiecksberechnungen und Beleuchtungseffekte nicht mehr von der CPU sondern vom Grafikprozessor durchgeführt werden. Heutzutage stellt die CPU also keine Beschränkung für die Grafikleistung mehr dar. Für die neueste Generation der Grafik-Hardware ist nun die Speicherbandbreite zur primären Geschwindigkeitsbremse geworden.

Bei immer komplexeren Szenen in 3D-Anwendungen steigen die Datenmengen, die es zum Darstellen dieser Szene aufzubauen und zu rendern gilt, exponentiell an. Die Geschwindigkeit, mit der die Grafik-Chips Daten verarbeiten können, ist so schnell angewachsen, dass die Kapazitäten der heutigen hochentwickelten Speichertechnologien bereits überschritten werden. Die Grafik-Chips speichern häufig verwendete Daten zwischen, so dass sie nicht bei jedem Zugriff aus dem externen Speicher geholt werden müssen. Aus Kostengründen werden diese Cache-Bausteine jedoch recht klein bemessen. Ohne eine reelle Lösung zu diesem Hauptproblem erinnern erhöhte Taktraten der Grafikprozessoren oder viele parallele Render-Pipelines an die durchdrehenden Räder eines festgefahrenen Autos. Bis von den Speicherentwicklern völlig neue Wege zur Leistungssteigerung vorgestellt werden, muss also eine andere Lösung gefunden werden.

ATI begegnet dem Problem der begrenzten Speicherbandbreiten mit dem RADEON-Chip auf eine neue Weise. Die innovative HyperZ-Technologie verbessert die Speicherbandbreite ohne den nötigen Zusatzaufwand für exotische eingebettete oder herstellergebundene Speicher. Durch die Ausschaltung dieses zentralen Engpasses ist die letzte Hürde auf dem Weg zu realistischem 3D in Echtzeit genommen.

Die maximale Füllrate, die ein Grafik-Chip erreichen kann, steht und fällt mit Geschwindigkeit und Art des begleitenden Speichers. In der folgenden Tabelle sehen Sie, wie HyperZ die maximale Anzahl von 32-Bit-Farbpixeln, die ein Grafik-Chip pro Sekunde rendern kann, erhöht, wenn verschiedene Frame-Pufferspeicher verwendet werden. Speichergeschwindigkeit und -art Maximale Füllrate (Mpix/s) Maximale Füllrate mit HyperZ (Mpix/s)

Alle heutigen 3D-Anwendungen verwenden einen Tiefenpuffer, um zu verfolgen, welche Objekte für den Betrachter sichtbar sind. Die am häufigsten verwendete Art von Tiefenpuffer ist der Z-Puffer. Es kommen jedoch auch andere Arten wie der W-Puffer zum Einsatz. Bei der derzeitigen Grafik-Hardware nehmen die Lese- und Schreibvorgänge des Tiefenpuffers mehr als die Hälfte der Speicherbandbreite in Anspruch. Durch HyperZ wird die hierfür verwendete Bandbreite deutlich verringert, ohne dabei die Bildqualität zu beeinträchtigen. HyperZ kombiniert drei Verfahren und steigert so die 3D-Leistung auf neue Höhen. Diese Verfahren sind Hierarchical Z, Z Compression und Fast Z Clear.

Ein Hauptproblem, mit dem die Entwickler von 3D-Spielen bei der Erschaffung ihrer 3D-Welten zu kämpfen haben, ist das sogenannte Overdraw. Stellen Sie sich eine 3D-Szene vor, in der Sie durch ein kleines Fenster in den dahinter liegenden Raum sehen. Einige der Wände und Objekte in diesem Raum sind durch das Fenster sichtbar und andere nicht. Die meisten Grafikprozessoren können vor dem Rendern nicht feststellen, welche Teile der Szene sichtbar und welche Teile verdeckt sind. Die Prozessoren müssen dann für jedes Pixel den Tiefenpuffer prüfen und entscheiden, ob dieses darzustellen ist oder nicht. Bei diesem Vorgang werden viele Pixel in den Frame-Puffer geschrieben und dann durch Pixel von Objekten, die näher am Betrachter sind, wieder überschrieben. Overdraw bezeichnet dieses Überschreiben von Pixeln im Frame-Puffer. Das Overdraw in einer Szene wird als Tiefenkomplexität bezeichnet. Diese entspricht dem Verhältnis von insgesamt gerenderten Pixeln zu sichtbaren Pixeln. Hat eine Szene beispielsweise eine Tiefenkomplexität von 3, wurden dreimal mehr Pixel gerendert als später tatsächlich auf dem Bildschirm sichtbar sind. Dies bedeutet weiterhin, dass zum Darstellen der Szene bei einer bestimmten Frame-Rate eine dreimal so hohe Füllrate benötigt wird, als dies ohne Overdraw der Fall wäre.

Overdraw stellt also die Hauptursache für Ineffizienz bei 3D-Spielen dar. Je nach Inhalt einer Szene kann die Tiefenkomplexität zwischen 1 und 10 schwanken. In den meisten Fällen liegt sie jedoch zwischen 2 und 3. Hierarchical Z bietet einen neuen und effizienteren Weg im Umgang mit Overdraw bei Grafik-Chips. Die Szenen werden vor dem Rendern daraufhin untersucht, welche Pixel sichtbar sein werden und welche nicht. Alle nicht sichtbaren Pixel werden verworfen und gar nicht erst gerendert. So wird das Overdraw massiv reduziert und die effektive Füllrate deutlich gesteigert. Folglich wird auch die Gesamtleistung verbessert.

Die Komprimierung von Daten ist ein allgemein verbreitetes Verfahren bei der Übertragung einer großen Datenmenge über ein Medium mit begrenzter Bandbreite. Der Z-Puffer ist hierfür ein gutes Beispiel. Da die Übertragung zum und vom Z-Puffer einen so großen Teil der Speicherbandbreite benötigt, sollten die Daten also offensichtlich komprimiert werden. HyperZ verwendet einen hochentwickelten und verlustfreien Komprimierungsalgorithmus, um die bei Lese- und Schreibvorgängen des Z-Puffers zu übertragende Datenmenge zu verkleinern. Sowohl Komprimierung als auch Dekomprimierung werden in Echtzeit vorgenommen, so dass zusätzliche Speicherbandbreite gewonnen werden kann, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen.

Nach der Fertigstellung eines jeden Frame muss der dieser Szene zugeordnete Tiefenpuffer gelöscht werden, bevor er für Daten des nächsten Frame zur Verfügung steht. Herkömmliche Grafikprozessoren löschen den Puffer durch Überschreiben der Daten mit Nullwerten. Dieser Vorgang stellt jedoch auch einen Schreibvorgang in den Z-Puffer dar, so dass auch dadurch mehr Speicherbandbreite in Anspruch genommen wird als zum Rendern der Szene nötig wäre. Durch HyperZ kann der Z-Puffer sehr schnell gelöscht werden (ca. 64x schneller als herkömmliche Architekturen), ohne dabei etwas in den Z-Puffer zu schreiben. So wird keine unnötige Speicherbandbreite verbraucht und die Leistung weiter gesteigert.