نگاهي عميق به Tessellation

[Trance]

يك دستورالعمــــل براي Tessellation سخت‌افزاري Tessellation سخت‌افزاري در ابتــــدا براي DirectX 10 در نظر گرفته شده بود، اما عرضه آن بعداً توسط مايكروسافت براي همراهي يك نسخه پيشرفته‌تر به تعويق افتاد. با آخرين طراحي GPU كه از قدرت و پيچيدگي بيشتري برخوردار بود، امكان پياده‌سازي موتور Tessellation در داخل خط لوله پردازش گرافيكي فراهم شد، به‌صورتي كه پشتيباني از Tessellation سخت‌افزاري DirectX 11 API به‌عنوان يكي از ملزومات طراحي GPUهاي اين نسل شناخته مي‌شود. اما Tessellation براي تغيير كيفيت كلي دقيقاً چه كاري انجام مي‌دهد؟ Tessellation سخت‌افزاري يك فناوري مقياس‌پذير است كه براي تقسيم‌بندي مجدد چندضلعي‌ها به قطعات كوچك‌تر و ظريف‌تر در نظر گرفته شده است تا بازي‌ها بتوانند تقريباً بدون هيچ هزينه‌اي در رابطه با عملكرد كارت گرافيكي، به جزئيات بيشتر و ظاهر دقيق‌تري دست پيدا كنند. به زبان ساده، فرآيند Tessellation چندضلعي‌ها را شكسته و قطعات به‌دست آمده را چند برابر مي‌كند تا ظاهر يك آبجكت را بهبود بخشد. بنابراين، يك مربع ساده مي‌تواند نه به‌صورت تنها دو مثلث، بلكه به‌صورت هزاران مثلث رندر شود. هر چه مثلث‌هاي بيشتري داشته باشيد، نتيجه نهايي بهتر و يا هموارتر خواهد بود. البته اين كار قبلاً نيز امكانپذير بود، اما تفاوت Tessellation سخت‌افزاري DirectX 11 در اين است كه الزاماً با افزايش فشار كاري كلي GPU همراه نخواهد بود و به همين دليل تغييري در نرخ فريم ايجاد نخواهد كرد. در ظاهر همه چيز بسيار ساده به نظر مي‌رسد. مثلث‌هاي بيشتر به معناي كيفيت بهتر هستند، بدون آن‌كه نيازي به تخصيص منابع بيشتر داشته باشند. در واقعيت، اين فناوري كاري بسيار بيشتر از ايجاد جذابيت بصري براي چشم انجام مي‌دهد. براي مثال، مي‌توان از تكنيكي با نام نگاشت جابجايي (Displacement Mapping) براي ارتقاي كيفيت تصوير با محاسبات Tessellation استفاده كرد. نقشه جابجايي (Displacement Map)، بافتي است كه اطلاعات ارتفاع را در يك مدل يا صحنه معين ذخيره مي‌كند. هنگامي كه اين بافت بر روي يك سطح اعمال مي‌شود، به رئوس موجود بر روي سطح امكان مي‌دهد تا بر اساس اطلاعات ارتفاع به بالا يا پايين جابجا شوند. محبوب‌ترين روش براي بهره‌گيري از اين تكنيك، اعمال نقشه‌هاي جابه‌جايي بر روي سطوح عوارض زمين به منظور ايجاد كوه‌ها، دره‌ها، ساحل رودخانه‌ها، دهانه‌هاي آتشفشان و... است. براي انجام نگاشت جابه‌جايي به‌صورت روان و قابل قبول، سطح مورد نظر بايد از تعداد زيادي رأس تشكيل شده باشد. اگر يك مدل رندر شده داراي تعداد ناكافي از رئوس باشد، هيچ مقداري از Tessellation مابين آن‌ها نمي‌تواند يك مدل واقعاً طبيعي را ايجاد كند. از آنجايــي كـــه خــط‌ لــولـــه Tessellation در DirectX 11 قابل برنامه‌ريزي است، مي‌توان از آن براي حل تعداد زيادي از مشكلات گرافيكي استفاده كرد. Tessellation كه توليد بخش‌هاي بسيار بزرگي از سطوح سرزميني را تحت تأثير قرار داده است، به همراه روش ديگري با نام الگوريتم پاكسازي مي‌تواند نرمي و همواري بخش‌هاي مختلف بدن يك كاراكتر، سطوح منحني يك اتومبيل و بعضي از جزئيات كوچك ديگر را ارتقا دهد. اين اولين روش Tessellation بود كه فناوري TruForm شركت ATI با كمك مثلث‌هاي PN (كه تحت عنوان N Patches نيز شناخته مي‌شدند) از آن استفاده مي‌كرد. الگوريتم مثلث‌هاي PN، مدل‌هايي با تفكيك‌پذيري پايين را به سطوح منحني تبديل مي‌كند كه به‌صورت يك مدل شبكه‌اي (Mesh) با مثلث‌هايي كه بر اساس Tessellation دقيق به دست آمده‌اند، ترسيم مي‌شود. آخرين نكته درباره پياده‌سازي Tessellation سخت‌افزاري كه اهميت آن از ساير جنبه‌هاي قبلي كمتر نيست، به استفاده از اين فناوري در دنياي منابع و قدرت پردازشي محدود مربوط مي‌شود. توسعه‌دهندگان بازي‌ها براي سال‌هاي طولاني مجبور بودند مرزهاي صحنه را با ديوارها، مه و يا كوهستان‌هاي بلندي بپوشانند. در بعضي از موارد حتي اشياي دور به‌طور ناگهاني ظاهر يا ناپديد مي‌شدند كه در نتيجه احساس كلي بازي را مختل مي‌كردند. اين وضعيت به همان اندازه كه مي‌تواند ناخوشايند و غيرواقعي به نظر برسد، يك جنبه ضروري براي نگهداشتن فشار كاري هندسي در يك سطح قابل قبول به شمار مي‌آيد. خوشبختانه Tessellation سخت‌افزاري مي‌تواند اين مشكل را با آدرس‌دهي شناور ميزان جزئيات در يك صحنه معين، برطرف كند. حتي اگر شما يك قصر قرون وسطايي پيچيده و يا يك شهر مدرن داشته باشيد، هر دو آن‌ها از يك فاصله دور تنها به‌صورت چند مثلث ساده رندر خواهند شد، اما هر چه فاصله كاراكتر شما با آن‌ها كمتر مي‌شود، به‌طور پيوسته جزئيات بيشتري به مدل اضافه خواهد شد تا كل تجربه بيننده كم و بيش به شرايط واقعي نزديك‌تر باشد. با توجه به اين واقعيت كه در حال حاضر كارت‌هاي گرافيكي پشتيباني كننده از فناوري Tessellation ‌سخت‌افزاري در سطوح و قيمت‌هاي گوناگوني توسط هر دو شركت AMD و Nvidia روانه بازار شده‌اند، ما تصميم گرفتيم تأثير بهره‌گيري از اين فناوري در بازي‌ها را از هر دو جنبه ارتقاي كيفيت ظاهري و همچنين فشار عملكردي بررسي كنيم. بستر و شيوه‌هاي آزمايش ما تصميم داريم تأثير Tessellation‌ سخت‌افزاري بر عملكرد بازي‌ها را با استفاده از بستر آزمايشي زير، ارزيابي كنيم: * پردازنده Core i7-975 Extreme Edition اينتل (33/3 گيگاهرتز) * مادربرد GA-EX58-Extreme گيگابايت (چيپ‌ست X58 اينتل) * 6 گيگابايت حافظه Corsair XMS3- 12800C9 م(3×2 گيگابايت، 1333 مگاهرتز، 9-9-9-24) * درايو ديسك سخت Spinpoint F1 سامسونگ (1 ترابايت، 32 مگابايت بافر، SATA II) * منبع تغذيه Ultra X4 850 W * نمايشگر Dell 3007WFP * سيستم عامل Windows 7 Ultimate 64-bit درايورهاي Nvidia GeForce و ATI Catalyst به‌صورت زير پيكربندي شده بودند: ATI Catalyst: * Smoothvision HD: Anti-Aliasing: Use application settings/Box Filter * Catalyst A.I.: Standard * Mipmap Detail Level: High Quality * Wait for vertical refresh: Always Off * AAMode: Quality * Other settings: default Nvidia GeForce: * Texture filtering – Quality: High quality * Vertical sync: Force off * Antialiasing - Gamma correction: On * Antialiasing - Transparency: Multisampling * CUDA – GPUs: All * Set PhysX configuration: Auto-select * Ambient Occlusion: Off * Other settings: default ما بالاترين سطح جزئيات در هر بازي را با استفاده از ابزارهاي استاندارد تأمين شده توسط خود بازي از منوي آن انتخاب كرديم. فايل‌هاي پيكربندي بازي به هيچوجه ويرايش نشده‌اند، زيرا كاربران عادي چيزي درباره نحوه انجام اين كار نمي‌دانند. ما آزمايش‌هاي خود را در تفكيك‌پذيري‌هاي 900×1600، 1080×1920 و 1600×2560 اجرا كرديم. در هر جايي كه اين امكان وجود داشته، ما MSAA 4x Antialiasing را به *****گذاري 16x Anisotropic استاندارد اضافه كرده‌ايم، مگر آنكه مشخصاً به وضعيت ديگري اشاره كرده باشيم.Antialiasing از منوي بازي فعال شده است. كارت‌هاي گرافيكي شركت كننده در اين آزمايش عبارتند از: * ATI Radeon HD 5870 * ATI Radeon HD 5830 * Nvidia GeForce GTX 480 * Nvidia GeForce GTX 460 عملكرد با استفاده از ابزارهاي خود بازي‌ها اندازه‌گيري شده است. ما نه تنها سرعت متوسط، بلكه حداقل سرعت كارت‌ها را در موردي كه امكانپذير بوده است، اندازه‌گيري كرده‌ايم. در ساير موارد، عملكرد به‌صورت دستي با استفاده از يوتيليتي Fraps 3.1.3 اندازه‌گيري شده است. در حالت اخير، ما آزمايش‌ها را سه بار تكرار كرده و سپس ميانگين سه نتيجه به‌دست آمده را براي مقايسه‌هاي عملكردي مورد استفاده قرار داده‌ايم.