Filtrage des textures

Le filtrage des textures : présentation

Le filtrage des textures est une opération importante et omniprésente dans les jeux. Dès que la distance de vue dépasse les quelques mètres et qu’une texture se prolonge (typiquement, celle du sol), c’est lui qui intervient afin de faire en sorte que les transitions restent invisibles sur cette texture, plus précisément les mipmaps. Que sont les mipmaps ? Des versions basse résolution d’une texture, qui sont appliquées sur les polygones éloignés du joueur, partant du principe qu’une surface éloignée d’un kilomètre n’est pas perçue avec autant de détails qu’une surface située à un mètre. Les mipmaps correspondent donc en quelque sorte à l’antialiasing des textures ; un antialiasing précalculé ce qui permet d’utiliser des filtres de bonne qualité. Au passage, on remarque que l’utilisation des mipmaps permet également de préserver la qualité des textures, tout en économisant la bande passante. Notez toutefois que les mipmaps prennent plus de place en mémoire, et qu’ils demandent du calcul supplémentaire à la puce pour déterminer le niveau de mip à employer.

Seul problème, les dimensions des mipmaps sont divisées par deux à chaque fois (ex : texture de 256x256 pixels, puis 128x128 pour le mipmap suivant, puis 64x64, etc.). D’où la nécessité d’un filtrage, afin que les transitions deviennent invisibles y compris à longue distance.

Sans rentrer dans les détails, la différence de filtrage s’explique entre autres par le nombre de sample de texture utilisés au départ pour chaque pixel final – 4 pour le bilinéaire, 8 pour le trilinéaire, 16 pour l’anisotropie 2x, etc. Le trilinéaire consiste simplement à appliquer deux fois un filtrage bilinéaire, et à interpoler les deux points résultats.

Observons le résultat sur le tunnel de 3DMark03. L’écran se divise en 4 : en haut un filtrage bilinéaire est appliqué, en bas un filtrage trilinéaire ; à gauche le rendu est normal, à droite les mipmaps ont été colorés afin d’y voir plus clair. Si l’on observe ces derniers, on se rend compte assez clairement que dans le cadre d’un filtrage bilinéaire, il n’y a pas vraiment de transition entre chaque texture de qualité différente, au contraire du filtrage trilinéaire. Ainsi, en comparant maintenant le rendu à gauche, en bilinéaire on distingue facilement au premier plan les transitions entre mipmaps même si ceux-ci ne sont pas colorés. Ce n’est pas le cas du trilinaire.

Dès lors, quel est l’intérêt de l’anisotropie ? C’est très simple. En passant à chaque mipmap suivant, on perd en résolution, donc en détail et en précision : ceci génère un flou aisément observable. Ce flou est amplifié par l’effet de perspective, qui est utilisé par tous les jeux représentant une scène en 3 dimensions. L’anisotropie consiste donc à augmenter encore le nombre de texels sources, et à prendre en compte les déformations de l’objet sur lequel la texture est appliquée.

Ici, on retrouve le filtrage trilinéaire en haut, et l’anisotropie 16X en bas. Au final, on arrive donc à supprimer complètement le flou.

Evidemment, les textures appliquées à ce tunnel permettent de distinguer plus facilement ces différences. On retrouve pourtant exactement la même situation dans les jeux. Prenons par exemple Serious Sam : Second contact, et la fameuse grande cathédrale.

Comparons maintenant l’herbe, avec de gauche à droite un filtrage bilinéaire, trilinéaire, anisotropique 16x (note : aucun zoom n’est utilisé).

Ce qu’il faut bien comprendre, c’est que les filtrages trilinéaires et anisotropiques ne poursuivent pas le même but. Le premier permet une transition invisible entre les mipmaps, alors que le second supprime l’effet de flou. Aussi, la différence entre un filtrage anisotropique bilinéaire et trilinéaire est faible, parce que dans les deux cas le flou est supprimé ; or c’est à partir du flou que l’on est capable de distinguer les mipmaps. Ce point est capitale pour la suite, aussi étudions encore quelques screenshots, l’un utilisant un filtrage anisotropique bilinéaire, l’autre un filtrage anisotropique trilinéaire :

Sur ce type de surface, la différence est pratiquement invisible car il n’y a presque pas de flou. Prenons donc un mur de Teotihuacan :

Ici le flou et donc la différence est plus visible, on aperçoit de nouveau les différents mipmaps. Notez que la différence est toutefois bien plus faible que la comparaison entre le filtrage bilinéaire/trilinéaire, et que cette différence sera d’autant plus faible qu’un niveau élevé d’anisotropie sera appliqué.

nVidia vs nVidia

Les ForceWare 65 livrés avec les GeForce 6600 introduisent une nouvelle optimisation nommée "Anisotropic Sample Optimization", qui réalise des compromis de qualité au niveau des samples des textures, à partir du deuxième mipmap.

Celle-ci vient donc se rajouter aux deux autres optimisations déjà présentes, concernant le filtrage anisotropique et le filtrage trilinéaire. Le problème, c’est qu’il faut donc prendre en compte deux facteurs dans le panneau de contrôle pour régler la qualité du filtrage : d’une part le réglage général de qualité…

… et d’autre part l’activation ou non de chaque optimisation.

Par exemple, l’activation de l’optimisation sur le trilinéaire entraînera une dégradation visuelle plus ou moins importante suivant la position du slide de qualité. Le tableau suivant résume chaque situation.

En laissant tout par défaut sur les ForceWare 65, le mode « Quality » est utilisé, les optimisations sur le trilinéaire et sur les samples d’anisotropie sont activées, alors que celle sur le filtrage du mipmap est désactivée. Cela fait donc une optimisation de plus que sur les 61.77 où seule l’optimisation sur le trilinéaire était activée.

La différence en pratique ? La voici :

Visuellement, le rendu par défaut des GeForce 6 sur 65.76 est donc identique au rendu sur 61.77, malgré l’optimisation supplémentaire sur les samples d’anisotropie.

Or dans le même temps, le rendu est également similaire entre X600 XT et X800 XT puisque les Radeon 9600 Pro ont inaugurés la fameuse optimisation sur le filtrage trilinéaire introduite en douce. Du coup, nous avons pensé qu’il serait plus intéressant de revenir dans un premier temps sur la comparaison entre le rendu des GeForce 6 et celui de la GeForce 5900 XT, puisque nous avons déjà comparé la qualité d’image entre GeForce 6 et X800 dans notre dernier comparatif.

Il est à noter que pour une raison inconnue les ForceWare 65.76 refusent de s’installer sur PCX 5900. Nous avons donc utilisé les ForceWare 61.77, sur celle-ci, ce qui ne change très probablement rien.

La encore, nous appliquons via les drivers un filtrage anisotropique 8X sur Serious Sam : Second Contact. Le premier screenshot correspond au rendu sur GeForce 6 en mode par défaut ("Quality"), c'est-à-dire avec les deux optimisations que nous avons vues plus haut. Le deuxième correspond au rendu sur GeForce 6 en mode "High Quality », c'est-à-dire toutes optimisations désactivées. Enfin, le dernier correspond à un rendu sur PCX 5900 en mode par défaut, mais qui est parfaitement identique au mode "High Quality".

Deux choses ressortent de ces trois captures.

• La différence sur GeForce 6 entre le rendu par défaut et le rendu sans optimisation est très faible mais visible.

Les GeForce 6 produisent un filtrage anisotropique bien plus mauvais que les GeForce 5900.

Ce dernier constat n’est pas vraiment une surprise, mais peut-être est-il plus flagrant sur ce screenshot : concrètement, la qualité du filtrage baisse de plus en plus, et cela est navrant. Ici il est clair qu’il tient de l’abus de langage de nommer le filtrage des GeForce 6 « filtrage anisotropique 8X », et la situation est la même sur X600/X800. Quelles différences cela génère-t’il dans les jeux ? Nous le verrons sur les captures d’écran.

Une chose est sure en revanche : la comparaison de performance avec la PCX 5900 va être biaisée puisque celle-ci effectuera un bien meilleur filtrage anisotropique. Toutefois, ce fait est contrebalancé par la mauvaise qualité de l’antialiasing de cette carte.

Une dernière chose est à noter : selon nVidia, les optimisations sur le filtrage anisotropique ne sont tout simplement pas implémentées en OpenGL, de sorte que ces optimisations ne sont donc activables que sur les jeux DirectX Graphics.