Rasterizasiya — bu nədir, mərhələləri və iş prinsipi

Rasterizasiya nədir?

Rasterizasiya — qrafik konveyerinin həndəsi primitivləri (üçbucaqlar, xətlər) Fragment Shader tərəfindən sonrakı emal üçün fraqment dəstinə çevirən mərhələsidir. Giriş məlumatları — üçbucağın ekran koordinatlarında təpə nöqtələri və onların atributları (rəng, normallar, UV). Çıxış — interpolyasiya edilmiş atributlarla fraqment dəsti.

Proqramlaşdırıla bilən şeyderlərdən (Vertex və Fragment Shader) fərqli olaraq, rasterizasiya sabit (proqramlaşdırılmayan) mərhələdir. Tərtibatçı rasterizasiya alqoritmini dəyişə bilməz, ancaq onun parametrlərini idarə edə bilər: kəsmə rejimi (culling), xətt eni, dərinlik yerdəyişməsi (polygon offset) və multisampling.

Real-time qrafikada rasterizasiyanın rolu

Praktiki olaraq bütün müasir real-time qrafika — oyunlar, UI, AR/VR — rasterizasiyadan istifadə edir. Bu, 60 FPS-də kadr başına milyonlarla üçbucağı emal edə bilən ən məhsuldar renderinq üsuludur. GPU rasterizatorları ixtisaslaşdırılmış ROP (Render Output Units) blokları vasitəsilə eyni anda minlərlə üçbucağın paralel emalı üçün optimallaşdırılıb.

Rasterizasiya necə işləyir?

Üçbucağın rasterizasiyası Vertex Shader təpə nöqtələrini ekran koordinatlarına çevirdikdən sonra başlayır. GPU üçbucağın üç təpəsini götürür və ekranın hansı piksellərinin bu üçbucağın daxilində olduğunu müəyyən edir.

Üçbucağın rasterizasiya mərhələləri

Proses üç ardıcıl addımı əhatə edir: üçbucağın pikseldə bounding box təyini — bounding box daxilində hər pikselin üçbucağa aidliyinin yoxlanılması (edge function) — hər örtülü piksel üçün interpolyasiya edilmiş atributların (barysentrik koordinatlar) hesablanması. Edge function — nöqtənin üçbucağın kənarının hansı tərəfində olduğunu təyin edən xətti tənlikdir.

Rasterizasiya alqoritmləri

Rasterizasiya müxtəlif alqoritmlərlə həyata keçirilə bilər, hər birinin performans və keyfiyyət arasında öz kompromisləri var. Müasir GPU-lar bir neçə yanaşmanın kombinasiyasından istifadə edir.

Scanline alqoritmi

Erkən GPU-lar üçün hazırlanmış klassik rasterizasiya alqoritmi. Üçbucaq sətir-sətir (scanline) emal olunur: ekranın hər sətri üçün üçbucağın giriş və çıxış nöqtələri müəyyən edilir və aralarındakı bütün piksellər doldurulur. Scanline conversion böyük üçbucaqlar üçün səmərəlidir, lakin ixtiyari formalı üçbucaqlar üçün mürəkkəb məntiq tələb edir.

Half-space (edge function) metodu

Müasir GPU-lar half-space rasterizasiya metodundan istifadə edir: üçbucağın hər tərəfi üçün edge function — bir tərəfdən müsbət, digər tərəfdən mənfi olan xətti tənlik hesablanır. Piksel üçbucağa aiddir, əgər hər üç edge functions müsbətdirsə. Half-space rasterizasiyası asanlıqla paralelləşir və GPU-nun SIMD arxitekturalarına yaxşı uyğun gəlir.

Tile-Based rasterizasiya (TBR)

Mobil GPU-lar (Qualcomm Adreno, ARM Mali) Tile-Based Rendering (TBR) istifadə edir. Ekran kiçik tayllara (16x16 və ya 32x32 piksel) bölünür və rasterizasiya hər tayl üçün ayrıca yerinə yetirilir. Bu, kadr buferini sürətli lokal yaddaşda (tile memory) saxlamaq hesabına video yaddaşa müraciətlərin sayını minimuma endirir. TBR enerji istehlakını azaldır ki, bu da mobil cihazlar üçün kritikdir.

Rasterizasiya vs Ray Tracing

Rasterizasiya və ray tracing — 3D qrafikanın renderinqinə iki prinsipial fərqli yanaşmadır. Rasterizasiya real-time tətbiqlərdə üstünlük təşkil edir, ray tracing — oflayn renderinqdə və tədricən real-time sahəyə (RTX uyğun GPU-larda) nüfuz edir.

MSAA və rasterizasiyada hamarlaşdırma

Rasterizasiyada aliasing problemi yaranır — üçbucaqların sərhədlərində pilləli kənarlar (jaggies). Bu, pikselin diskret olması və üçbucaq tərəfindən qismən örtülə bilməməsi səbəbindən baş verir. Aliasing ilə mübarizə üçün multisampling (MSAA) tətbiq olunur.

MSAA necə işləyir

MSAA (Multisample Anti-Aliasing) rasterizasiyanı artırılmış seçmə tezliyi ilə (2x, 4x, 8x) yerinə yetirir. Piksel başına bir nümunə əvəzinə bir neçə sub-nümunə istifadə olunur, hər biri üçbucaqla örtülmə baxımından yoxlanılır. MSAA 4x piksel başına 4 sub-nümunə emal edir ki, bu da renderinq həllini tam artırmadan kənarların nəzərəçarpacaq dərəcədə hamarlaşmasını təmin edir.

FXAA və digər post-proses üsulları

MSAA-dan fərqli olaraq, post-proses hamarlaşdırma üsulları (FXAA, SMAA, TAA) rasterizasiyadan sonra işləyir, yekun təsviri təhlil edir. FXAA (Fast Approximate Anti-Aliasing) təsvirin kənarlarını müəyyən edir və hamarlaşdırmaq üçün bulanıqlıq tətbiq edir, MSAA-dan əhəmiyyətli dərəcədə sürətli işləyir, lakin daha az keyfiyyətli nəticə ilə.

GPU-da rasterizasiya və optimallaşdırma

Müasir GPU-larda rasterizasiya ixtisaslaşdırılmış aparat blokları — ROP (Render Output Units) tərəfindən yerinə yetirilir. ROP-ların sayı birbaşa doldurma sürətinə (fill rate) — GPU-nun saniyədə emal edə biləcəyi piksellərin sayına təsir edir.

Rasterizasiya performansının amilləri

• Triangle count — kadr başına üçbucaqların sayı. Hər üçbucaq setup və kənar testi üçün əlavə yük tələb edir.
• Fill rate — ROP blokları tərəfindən saniyədə emal edilən piksellərin sayı. GPU-nun takt tezliyindən və ROP sayından asılıdır.
• Overdraw — üçbucaqların üst-üstə düşməsi səbəbindən bir pikselin təkrar rasterizasiyası. Obyektlərin dərinliyə görə çeşidlənməsi ilə optimallaşdırılır.

Mobil GPU-lar üçün rasterizasiyanın optimallaşdırılması

Mobil GPU-lar (Tile-Based Rendering) üçün kritik əhəmiyyət kəsb edir: erkən imtina (early-Z) vasitəsilə overdraw minimumlaşdırılması, görünməyən üçbucaqları silmək üçün back-face culling istifadəsi və digər obyektlər tərəfindən tamamilə örtülmüş üçbucaqların atılması üçün gizli səth silmə (occlusion culling).