Mipmapa (Mipmap)

Příklady z praxe

1. 01

   Blikající šachovnicová podlaha ve hře

   Level designér nastaví podlaze texturu s jemným vzorem dlaždic a vypne mipmapy, aby byla v detailu ostřejší. Při chůzi hráče se vzdálená část podlahy začne rozpadat na pohyblivé moaré. Zapnutí mipmap s trilineární filtrací blikání odstraní, ale podlaha pod ostrým úhlem zůstane rozmazaná, dokud se nepřidá anizotropní filtrace 8x nebo 16x.

2. 02

   Generování mipmap při nahrání textury v OpenGL

   Po nahrání základní úrovně stačí vyžádat automatické dopočítání pyramidy a nastavit minifikační filtr na trilineární režim. Bez GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR by ovladač zůstal u úrovně 0 a vygenerované úrovně by se nikdy nepoužily, což je jedna z nejčastějších chyb u vlastního rendereru.

   glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RGBA8, 1024, 1024, 0,
                GL_RGBA, GL_UNSIGNED_BYTE, pixels);
   glGenerateMipmap(GL_TEXTURE_2D);
   
   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER,
                   GL_LINEAR_MIPMAP_LINEAR); // trilineární
   glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);

Časté omyly

MýtusMipmapy zabírají dvakrát tolik paměti, radši je vypnu.

Ve skutečnostiCelá pyramida přidá k základní úrovni jen zhruba 33 % dat, protože plochy dalších úrovní tvoří geometrickou řadu s podílem 1/4. Navíc díky lepšímu využití cache bývá výsledek rychlejší než textura bez mipmap.

MýtusMipmapa zbytečně rozmazává obraz, ostřejší je vzorkovat vždy z originálu.

Ve skutečnostiVzorkování z originálu při silném zmenšení není ostřejší, ale nesprávné: podvzorkovaný signál vytváří aliasing a blikání v pohybu. Rozmazání pod ostrým úhlem není chybou mipmapy jako takové, řeší ho anizotropní filtrace.

MýtusMipmapy má smysl dělat jen pro 3D scény.

Ve skutečnostiMipmapa pomáhá kdekoli, kde se textura zobrazuje menší než v nativním rozlišení, tedy i u 2D sprite scaling, mapových dlaždic nebo náhledů v UI. Rozdílem je jen to, že u pixel-artu se často volí nearest filtr záměrně.

Časté dotazy

Kolik paměti mipmapa navíc zabere?

Mipmapa zvětší paměťovou stopu textury přibližně o 33 procent. Každá úroveň má poloviční rozměry, tedy čtvrtinovou plochu, a součet řady 1/4 + 1/16 + 1/64 a dále se blíží jedné třetině základní úrovně. U textury 1024 × 1024 v RGBA8, která zabírá 4 MB, tedy celá pyramida přidá zhruba 1,3 MB. V praxi je to výhodná investice, protože vzdálené objekty čtou z malých úrovní, které se vejdou do texturové cache, takže klesá objem přenosů z videopaměti.

Musí mít textura pro mipmapy rozměr mocniny dvou?

Mipmapa dnes nevyžaduje rozměry v mocninách dvou. Moderní grafická API i mobilní GPU zvládají non-power-of-two textury a řetězec úrovní se u nich tvoří dělením dvěma se zaokrouhlením dolů, dokud se nedojde k 1 × 1. U starších rozhraní a některých kompresních formátů ale nemocninné rozměry vedou k nepříjemným zaokrouhlovacím posunům mezi úrovněmi nebo k nutnosti doplnit okraje. Právě proto se v produkci stále běžně drží rozměry jako 512, 1024 nebo 2048.

Kdy trilineární filtrace nestačí a je potřeba anizotropní?

Trilineární filtrace nestačí ve chvíli, kdy se plocha promítá pod ostrým úhlem k pohledu, typicky u podlah, silnic nebo terénu mizejícího k horizontu. Výběr úrovně vychází z většího ze zmenšení podél os, takže povrch je podél druhé osy zbytečně hrubě filtrovaný a působí rozmazaně. Anizotropní filtrace tento případ řeší tím, že odebere více vzorků podél protáhlého směru z jemnější úrovně. Její cena je poměrně nízká, proto se běžně nabízí jako uživatelské nastavení 2x až 16x.

Proč se v atlasu objevují cizí barvy na okrajích sprite?

Mipmapa při zmenšování průměruje sousední texely bez ohledu na to, že v atlasu spolu logicky nesouvisejí. Na vyšších úrovních se tak barva jedné dlaždice promíchá se sousední a na vzdáleném objektu se objeví barevný lem. Řešením je nechat kolem každé dlaždice dostatečný padding, ideálně tak široký, aby přežil i nejhrubší používanou úroveň, nebo nahradit atlas texturovým polem, kde se jednotlivé vrstvy při filtraci nemíchají. Poslední možností je omezit počet generovaných úrovní.

Kdy je lepší mipmapy negenerovat?

Mipmapy nedávají smysl u textur, které se vždy zobrazují v poměru jedna ku jedné nebo zvětšené: fullscreen render targety, G-buffery, lookup tabulky, texty vykreslované v nativním rozlišení nebo pixel-art, u kterého je zmenšení stejně nežádoucí. U render targetů navíc generování pyramidy po každém snímku stojí čas GPU. Výjimkou jsou případy, kdy se z mipmap dělá efekt záměrně, například bloom nebo přibližná odrazová mapa, kde hrubší úrovně slouží jako levné rozostření.

Zdroje

1. OpenGL 4.6 Core Profile Specification(otevře se v novém okně)Khronos Group, 2023
2. Mipmap(otevře se v novém okně)Wikipedia
3. Direct3D 11 Textures(otevře se v novém okně)Microsoft Learn

Související pojmy

• TexturaTextura je datový obraz nebo procedurální vzor, který se v počítačové grafice používá k určení vzhledu povrchu objektu. Může nést barvu, průhlednost, drsnost, normály nebo jiné hodnoty, které shader čte při vykreslování. Textury umožňují bohatý detail bez modelování každé nerovnosti geometrií a výrazně ovlivňují paměť i výkon.
• Level of DetailLevel of Detail je technika real-time grafiky, která pro každý objekt vybírá zjednodušenou variantu geometrie, textur nebo stínování podle toho, jak velký je objekt na obrazovce. Vzdálený model se vykreslí s desetinou trojúhelníků, blízký v plné kvalitě. Cílem je udržet snímkovou frekvenci bez viditelné ztráty kvality.
• 3D model3D model je digitální reprezentace objektu nebo prostoru ve třech rozměrech, složená z geometrie, materiálů a často i textur, animací či fyzikálních vlastností. Používá se v hrách, filmech, průmyslovém návrhu, architektuře, e-commerce i simulacích, kde software z modelu počítá zobrazení nebo další data.
• Alfa kanálAlfa kanál je složka obrazových dat, která u pixelu určuje míru neprůhlednosti nebo průhlednosti. Doplňuje barevné kanály, typicky RGB, a umožňuje plynulé okraje, stíny, překryvy, masky i skládání vrstev. Hodnota alfa sama neurčuje barvu, ale říká, jak se barva pixelu promíchá s pozadím.
• Ambient occlusionAmbient occlusion je technika stínování, která u každého bodu povrchu odhaduje, jak velká část okolní polokoule oblohy je zastíněna blízkou geometrií, a podle toho ztlumí rozptýlené okolní světlo. Výsledkem jsou tmavší kouty, spáry, záhyby a místa dotyku objektů, díky nimž scéna působí prostorově a objekty vypadají skutečně položené na podložce.
• Animace klíčových snímkůAnimace klíčových snímků je technika, při které animátor zadá hodnoty vlastnosti (polohu, rotaci, barvu, průhlednost) jen v několika vybraných časech a software dopočítá všechny mezilehlé snímky interpolací. Klíčový snímek tedy nese stav v daném okamžiku, křivka mezi klíči určuje rychlost změny a výsledkem je plynulý pohyb bez ručního kreslení každého snímku.
• Anti-aliasingAnti-aliasing je soubor technik, které omezují zubaté hrany a třepení detailů vznikající při převodu spojitého obrazu na mřížku pixelů. V grafice barvy na hranách obvykle průměruje nebo vzorkuje vícekrát, aby diagonály, text a 3D modely působily plynuleji, i když za cenu výkonu nebo mírné ztráty ostrosti.
• Baking texturBaking textur je proces, při kterém se výsledek náročného výpočtu (osvětlení, stínů, detailu vysokopolygonového modelu nebo procedurálního materiálu) předpočítá a uloží do rastrové textury namapované přes UV souřadnice modelu. Za běhu aplikace se pak místo opakovaného výpočtu jen čte hotová hodnota z obrázku, což výrazně šetří výkon.