PCGH-Retro: 3D-Lexikon, Teil 1

Dieser Artikel ist im Original in der PC Games Hardware 07/2001 erschienen. Dennoch hat sich noch nicht viel geändert.

Farbtiefe:
Jedes Pixel wird mit einer bestimmten Genauigkeit berechnet, vergleichbar mit den Nachkommastellen einer Zahl (z. B. 2,333333). Irgendwann endet die Anzahl der Stellen, welche die Grafikkarte verarbeiten kann. Wie genau die Grafikkarte rechnet, wird durch die Anzahl der Bits bestimmt, die sie speichern kann. Für Berechnungen innerhalb des Grafikchips verwenden die meisten modernen Grafikchips bis zu 40 Bits, für das Abspeichern im Grafik-RAM beschränkt man sich meist auf 32 Bit oder sogar nur 16 Bit. 16-Bit-Rendering speichert dabei die einzelnen Pixelwerte mit maximal 16 0/1-Werten ab, während beim 32-Bit-Rendering bereits 32 0/1-Werte genutzt werden. Letzteres ist genauer und hinterlässt weniger störende Muster (siehe auch Dithering) auf dem Bildschirm.

Alpha Blending:
Zu jedem Dreieck werden neben den Farbinformationen (RGB: Rot-, Grün-, Blau-Anteil) auch Informationen zur Lichtdurchlässigkeit (Transparenz) gespeichert. Der Wert, welcher diese Information enthält, nennt sich Alpha-Wert. Dieser muss beim Rendering der einzelnen Pixel berücksichtigt werden. Je höher der Alpha-Wert, umso stärker beeinflusst der zuvor berechnete Hintergrund den Wert des neuen Pixels. Das bereits an dieser Stelle gespeicherte Pixel wird also aus dem Grafikkartenspeicher gelesen und definiert zu einem großen Teil das Aussehen des neuen Pixels. Typischerweise wird Alpha Blending bei Explosions- und Raucheffekten sowie zur Darstellung von Glasscheiben genutzt.

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Bump Mapping:
Um Landschaften oder Spielobjekte detaillierter zu gestalten, kann der Spieleprogrammierer einfach zusätzliche Dreiecke in der Szene unterbringen. Eleganter und weniger aufwendig geht das Ganze durch spezielle Texturen. Diese enthalten Strukturinformationen für das Objekt, also Höhen- und Tiefenwerte in Form einer Graustufen-Textur. Der Grafikchip berücksichtigt diese Strukturwerte beim Schattieren der Dreiecke und erzeugt damit eine fühlbare Oberfläche. Die Ausleuchtung der Pixel ändert sich je nach Position der in der Szene befindlichen Lichtquellen und erzeugt dadurch die Illusion von Furchen und Erhöhungen ("Bumps").

Es existieren drei verschiedene Arten des Bump Mappings. Das mittlerweile fast bedeutungslos gewordene Embossed Bump Mapping gilt als Softwarelösung und kann auf jedem Grafikchip durchgeführt werden. Leider arbeitet es sehr ungenau und erzielt nur mit hohem Aufwand ansprechende Resultate. Umgebungsabhängiges Bump Mapping (EMBM) nutzt zusätzlich zur Strukturtextur eine Umgebungstextur, aus der die passenden Texturwerte gelesen und beigemischt werden. Dynamische Reflexionseffekte (z. B. Wasser) lassen sich damit sehr leicht erzielen. Das dritte Verfahren, Dot3 Bump Mapping, zeichnet sich durch die exakten und dynamischen Berechnungen aus. Für jedes Pixel werden dabei die korrekten Ausleuchtungswinkel in Abhängigkeit der Lichtquellen berechnet und bei der Schattierung berücksichtigt. Dot3 Bump Mapping ist einer der Effekte, die derzeit unter den Sammelbegriff "Pixel Shading" fallen.

Füllrate:
Die Leistungsfähigkeit eines Grafikchips zeichnet sich unter anderem dadurch aus, wie viele Pixel pro Sekunde er schattieren und mit Texturen bekleben kann. Diese Leistung ist abhängig von der Taktfrequenz des Chips und der Anzahl der Pixel-Pipelines, die parallel im Grafikchip arbeiten. Aus der Kombination dieser zwei Werte ergibt sich die Leistungsangabe "Füllrate". Ein mit 200 MHz getakteter Grafikchips mit 4 Pixel-Pipelines erreicht dadurch eine Leistung von 800 Millionen Pixel pro Sekunde. Die oft auch genannte Leistungsbezeichnung "Texelfüllrate" berücksichtigt dabei zusätzlich, wie viele Texturen der Chip auf jedes Pixel in einem Taktschlag auftragen kann. Ein 200-MHz-Chip mit 4 Pixel-Pipelines und einer Einheit zur Texturierung pro Pipeline leistet 800 Millionen (gefilterte) Texel pro Sekunde, derselbe Chip mit zwei Textureinheiten leistet 1.600 Millionen Texel pro Sekunde. Dabei handelt es sich meistens um theoretische Maximalwerte. In der Praxis setzen die Speicherstraßen dem Leistungspotenzial Grenzen, da der Speicher die vom Chip angeforderten Texturwerte nicht schnell genug abliefern kann.

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Buffering:
Üblicherweise baut der Grafikchip das 3D-Bild Dreieck für Dreieck im Bildspeicher auf ("Back Buffer"). Damit der Spieler von dieser Aufbauaktion nichts merkt, wird das zuletzt komplett berechnete Bild in einem separaten Bildspeicher ("Front Buffer") festgehalten. Der RAMDAC des Grafikchips schickt dieses "alte" Bild notfalls mehrmals an den Monitor, bis das neue Bild komplett fertig berechnet ist. Im folgenden Schritt werden die beiden Speicherbereiche vertauscht ("Flipping"), der Front Buffer wird zum Back Buffer und umgekehrt. Das Spielchen beginnt von vorn, indem der Grafikchip wieder ein neues Bild berechnet, während der RAMDAC das zuvor berechnete Bild an den Monitor schickt.

Im Falle des Triple Buffering wird ein weiterer Speicherbereich dazwischengeschaltet, womit die zwei letzten Bilder zwischengespeichert werden. Durch dieses System wird der bremsende Effekt der Bildsynchronisation (so genannter VSync) zwischen Grafikkarte und Monitor etwas abgemildert. Bei aktivierter Bildsynchronisation wartet der Beschleunigerchip mit dem Umschalten der Speicherbereiche, bis der Monitor das komplette Bild dargestellt hat. Dies kann zu Verzögerungen führen, welche mittels Triple Buffering weitgehend vermieden werden. Allerdings kostet dabei jeder zusätzliche Buffer wertvollen Speicherplatz auf der Grafikkarte.

Dithering:
Dithering ist eine Technik, welche dem Betrachter mehr Farben vorgegaukelt, als tatsächlich dargestellt werden. Der Effekt wird durch eine bestimmte Anordnung von Farbpunkten erreicht. Dabei wird die Eigenschaft des menschlichen Auges ausgenutzt, welches durch seine beschränkte Auflösung mehrere dieser Punkte zu einem einzigen Punkt zusammenfasst. Durch eine spezielle Färbung umliegender Pixel lässt sich die Illusion eines neuen Farbtones vortäuschen. In der 3D-Grafik kommt Dithering bei aktivem 16-Bit-Rendering zum Einsatz, indem die berechneten 32-Bit-Werte durch mehrere 16-Bit-Werte angenähert werden. Bei Alpha-Blending-Effekten kann das Verfahren unter Umständen zu stark störenden Muster führen, falls der Grafikchip für die weiteren Berechnungen mit bereits "geditherten" (und deshalb bereits angenäherten) Pixeln weiterrechnet. Dithering wird unter anderem auch in der Druckertechnik eingesetzt. Mit nur drei bis vier Basisfarben kann so die ganze Farbpalette dargestellt werden.

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Fog:
Fog- oder zu deutsch Nebel-Effekte gehören seit jeher zum Trick-Repertoire der Spieleentwickler. Indem mit steigender Entfernung vom Betrachter jedem Pixel immer mehr Grauanteile beigemischt werden, werden weit in der Ferne liegende Objekte gänzlich durch eine Grauschicht überdeckt. Genau dies ist der Sinn der Vernebelungsaktion. Da viele Spiele-Engines die Objekte (z. B. Fahrzeuge, Spielfiguren) mangels Rechenleistung nur bis zu einer beschränkten Entfernung darstellen, lässt sich mittels solcher Nebeleffekten der sogenannte "Aufbaueffekt" (engl. Pop-up-Effect) kaschieren, bei dem neue Objekte plötzlich auftauchen. Je nach Qualitätsstufe bestimmen sich die Grauanteile nur durch den Tiefenwert (z-Wert) oder durch den echten, pixelweisen Abstand des Betrachters (Range-based Fog). Letzteres berücksichtigt die perspektivische Darstellung und mischt den Objekten am Bildschirmrand mehr Grauanteile bei, da sich diese trotz gleichem Tiefenwert real weiter vom Betrachter entfernt befinden.

Filtering:
Beim Filtering werden mehrere benachbarte Farbwerte einer Textur miteinander vermischt, um hässliche Effekte wie Texturflimmern und Klötzchenbildung zu reduzieren. Diese entstehen, wenn eine zu kleine oder zu große Textur auf ein Dreieck aufgetragen wird. Das bilineare Filtering mischt vier benachbarte Texturwerte zusammen, wobei jeder Farbwert abhängig vom Abstand des ursprünglichen Texturpunktes mit in die Berechnung einfließt ("gewichtet"). Eine Qualitätsstufe höher anzusiedeln ist das trilineare Filtering, welches das bilinare Filtering zweier Texturversionen (so genannte Mip Maps) verbindet. Abhängig von der Entfernung des Dreiecks vom Betrachter werden oft unterschiedliche Texturgrößen verwendet. Um die Wechsel zwischen diesen Texturgrößen zu vertuschen, werden jeweils die bilinear gefilterten Texturwerte der beiden nächstliegenden Texturgrößen miteinander vermischt. Der Aufwand für die Grafikkarte verdoppelt sich, statt vier werden nun mindestens acht Texturwerte pro Pixel verarbeitet. Die maximale Qualitätsstufe bietet die anisotropische Texturfilterung. Diese nutzt je nach Einstellung deutlich mehr umliegende Texturwerte zur Interpolation, üblicherweise mindestens acht. Dabei werden die Texturwerte nicht mehr aus einem rechteckigen Muster bezogen, sondern aus einer elliptischen Form. Statt verwaschenem Text wartet das anisotropische Filtering mit gestochen scharfen Wandmalereien und Schriftzügen auf, kostet aber heute noch sehr viel Beschleunigerleistung. Den ultimativen Qualitätskick bietet anisotropisches Filtering in Kombination mit trilinearem Filtering. Dabei tragen mindestens 16 Texturwerte pro Pixel zum neuen Schärfemix bei.

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Fps:
Fps steht für "frames per second" oder zu Deutsch "Bilder pro Sekunde". Wahre 3D-Junkies plädieren für 60 dargestellte Bilder pro Sekunde, um ein absolut realistisches Spielevergnügen zu gewährleisten. Weniger anspruchsvolle Spielernaturen empfinden bereits ab 30 fps den Eindruck einer realistisch fließenden Bewegung. Die Anzahl Bilder, die Ihr System pro Sekunde darstellen kann, wird dabei von vielen PC-Komponenten beschränkt. Die wichtigsten sind die allmächtige CPU und das 3D-Grafikboard.

Gouraud Shading:
Jedem Eckpunkt eines Dreiecks wird von der Spiele-Engine eine (meist unterschiedliche) Farbe zugewiesen. Die drei Eckfarben werden vom Grafikchip in Hardware über die Dreiecksfläche miteinander verrechnet ("interpoliert"), so dass ein fließender Farbübergang entsteht. Andere, heute nicht mehr gebräuchliche Verfahren ("Flat Shading") nutzten für das ganze Dreieck denselben Mischwert der drei Eckfarben. Beim Gouraud Shading wird im Gegensatz dazu für jedes Pixel ganz exklusiv ein eigener Farbwert berechnet. Glanzlichter, also stark aufgehellte Stellen auf der Fläche, lassen sich mit Gouraud Shading allerdings nur schwer erzeugen. Modernere Schattierungsverfahren wie Phong Shading wären dazu nötig.

Hidden Surface Removal:
Hidden Surface Removal ("Entfernung verdeckter Flächen"), so lautet die ausgeschriebene Form des kryptischen Kürzels. Dahinter verbirgt sich der Vorgang, bei dem verdeckte Bildteile erkannt werden und die Darstellung verhindert wird. Das bekannteste Verfahren ist das Z-Buffering, bei dem nach erfolgter Berechnung ein einfacher Sichtbarkeitstest durchgeführt wird. Gewiefter sind neue Hardware-Lösungen, die beispielsweise im GeForce3- oder Kyro-II-Chip zum Einsatz kommen. Sie stellen nicht nur die richtige Darstellung sicher, sondern verhindern sogar zumindest teilweise die Berechnung nicht sichtbarer Bildabschnitte. Das spart Rechenzeit und schont die wichtige Speicherbandbreite im System.