Grafikkarten
Auf Platz 1 für jeden Spieler steht natürlich die Grafikkarte, denn sie ist die wichtigste Komponente für jeden Gamer. Sie ist des weiteren der wichtigste Faktor, wenn es um die Bilder pro Sekunde (fps) geht. Durch eine High-End-Grafikkarte (siehe Abbildung unten) kann das Spiel schon mal um ein vielfaches schneller sein, als mit der Alten, ohne auf den Prozessor zu achten. Doch wer keine Anwendungen im 3D-Modus ausführt, brauch auch keine zusätzliche Grafikkarte. Da reicht meistens die Onboard-Grafik auf dem Mainboard.
Radeon X1900 XTXIm folgenden habe ich den Grafikkarteninformationsteil in 4 verschiedene Bereiche geteilt. Als erstes gehe ich in die Wichtigkeit der Eigenschaften von Grafikkarten ein, damit ihr nachvollziehen könnt, auf was man bei einem Kauf von einer Grafikkarte besonders achten muss, und was man eher vernachlässigen kann. Im zweiten Abschnitt bringe ich euch die sehr häufig verwendeten Abkürzungen bei den Grafikkartenbezeichnungen nahe, weil die Leistungen mit unterschiedlichen Kürzeln am Ende sehr breit gefächert sind. Im 3. Teil habe ich weitere wichtige Hinweise, die ihr bei einem Kauf einer neuen Grafikkarte beachten müsst. Im größten und letzten Teil des Grafikkarteninformationsteils habe ich ein VGA-Glossar erstellt, worin alle Begriffe die mit Grafik zu tun haben ordentlich erklärt sind.
Wichtigkeit der Eigenschaften von Grafikkarten
Viele wissen nicht genau, was nun wirklich für die Grafikkarte endscheidend ist.Hier habe ich euch eine Übersicht gemacht, wo ihr sofort seht, was die wichtigsten Faktoren der Leistungsfähigkeit einer Grafikkarte sind.
1. Grafikchip (GPU) (ist das wichtigste Element auf der Platine > ist aufgebaut wie ein CPU und rechnet die ganzen Grafikdaten aus)
2. Speichermenge (gibt die Größe [in MB] des zur Verfügung stehenden Grafikspeichers an. Dieser wird für die Grafiken, Texturen und anderen Darstellungen genutzt)
3. Speicheranbindung (wird in Bit angegeben)
4. Pixelshader (Pixel-Shader ALUs) und Vertexshader (durch mehr Pixel- und Vertex-Shader können mehr Texturen und andere Grafiken berechnet werden)
5. Chiptakt und Speichertakt (RAM-Takt) (gibt die Taktrate des Grafikchips [GPU] und die Taktrate des Grafikspeichers an)
6. Grafische Spieledarstellung (z. B. HDR,AF,AA,FSAA und HDR zusammen)
7. Bildqualität (z. B. Transparenz AA, z. B. das leichte flimmern des AF bei Nvidia-Karten)
8. Shader (z. B. Shader 3.0)
9. Kühlsystem (verwendeter Kühler > laut/leise; Eigenschaften; werden 2 Slots belegt)
10. SLI-fähig/Crossfire-fähig (können die Karten im SLI- bzw. Crossfire-Modus betrieben werden)
11. Weitere Ausstattung (z. B. HDCP-fähig; HD-TV-fähig; weitere Software, wie Spiele)
Wichtige Kürzel
Wenn man nun verschiedene Angebote betrachtet, die es auf dem Grafikkartenmarkt gibt, stellt man fest, dass es für die neue Generation der Grafikkarten eine sehr große Auswahl an Produkten gibt, die sich meistens nur an der Endung unterscheiden (SE, XT, XTX, GTX, GT...). Somit will ich euch hier einmal verständlich machen, was der Unterschied zwischen den Endungen der Grafikkarte ausmacht. In manchen Fällen unterscheidet sich die Leistungsfähigkeit der Grafikkarte durch die Endungen nämlich stark. Somit ist der Preis dieser Modelle ebenfalls sehr unterschiedlich. Damit ihr gezielt die Endungen nach der Leistungsfähigkeit einordnen könnt, fange ich mit der Endung, die am meisten Leistung bietet an.
GX2
- ist eine spezielle Bezeichnung der Nvidia-Produkte für die Verwendung
von 2 GPUs, wobei nur 1 PCIe- Slot benötigt wird (7900GX2, 7950GX2).
Hier ist die Leistung sehr hoch, da es sich im Prinzip um eine
SLI-Variante handelt, die aber unter einem PCIe-Slot Platz findet.
XTX -
ist die leistungsfähigste Grafikkarte in der Produktpalette der
ATI-Grafikkarten (High-End - X1950XTX, X1900XTX). Diese Version ist
voll ausgereizt, was sich in der Anzahl der Pixel-Shader und
Vertex-Shader (neu: Geometrie-Shader; Unfield-Shader [fasst alle 3
Shader zusammen > es können somit die verschiedenen Shader an das
Spielgeschehen angepasst werden]), sowie der Taktraten (Chiptakt und
Speichertakt) wiederspiegelt. Somit ist bei dieser Variante die
Rechenleistung (GFLOP/s) am höchsten.
GTX - ist die leistungsfähigste Grafikkarte in der Produktpalette der Nvidia-Grafikkarten (High-End - 7900GTX). Diese Version ist voll ausgereizt, was sich in der Anzahl der Pixel-Shader und Vertex-Shader (neu: Geometrie-Shader; Unfield-Shader [fasst alle 3 Shader zusammen > es können somit die verschiedenen Shader an das Spielgeschehen angepasst werden]), sowie der Taktraten (Chiptakt und Speichertakt) wiederspiegelt. Somit ist bei dieser Variante die Rechenleistung (GFLOP/s) am höchsten.
XT -
ist eine Bezeichnung die für die Segmente High-End, Mainstream, sowie
Einsteigerprodukte in der ATI-Produktpalette eingesetzt wird (High-End
- X1900XT; Mainstream - X1600XT; Einsteiger - X1300XT). Bei dieser
Variante wurde meistens nur der Chiptakt, sowie der Speichertakt um
einen geringen Teil (ca. 5%) verringert. Somit verringert sich die
Rechenleistung (GFLOP/s), die Texelfüllrate (MTex/s), sowie die
Speicherbandbreite (GByte/s) um jeweils ca. 6 % gegenüber dem
XTX-Modell. Bei Nvidia werden manche Grafikkarten, wie die 6800XT auch
mit dieser Endung besetzt. Doch in diesem Fall handelt es sich um
abgespeckte Versionen, Sie besitzen meistens eine halbierte
Speicheranbindung (z. B. 128 Bit statt 256 Bit) und sind somit fast mit
den LE-Versionen gleichgestellt, da die niedrige Speicheranbindung
stark von der Leistungsfähigkeit abhängt.
GT - ist eine Bezeichnung die für die Segmente High-End, Mainstream, sowie Einsteigerprodukte in der Nvidia-Produktpalette (High-End - 7900GT; Mainstream - 7600GT; Einsteiger - 7300GT), sowie in der ATI-Produktpalette für das High-End Segment eingesetzt wird (High-End - X1900GT). Bei den Nvidia-Grafikkarten ist in diesem Fall der Chiptakt und Speichertakt um ca. 25- 45 % niedriger als bei einer GTX-Variante. Desweiteren wird meist der Grafikspeicher halbiert. Somit verringert sich die Rechenleistung (GFLOP/s), die Texelfüllrate (MTex/s), sowie die Speicherbandbreite (GByte/s). Das heißt, dass die Rechenleistung ca. 30% gegenüber dem GTX-Modell. Bei den ATI-Produkten ist der Grafikkartenspeicher gegenüber der XTX- und XT-Variante halbiert wurden. Außerdem wurden eine bestimmte Anzahl an Pixel- und Vertex-Shadern deaktiviert. Der Chip- und Speichertakt wurde wieder um ca. 5% verringert. Somit verringert sich die Rechenleistung (GFLOP/s), die Texelfüllrate (MTex/s), sowie die Speicherbandbreite (GByte/s). Das heißt, dass die Rechenleistung ca. 50% unter dem des XTX-Modells liegt. Die verlorene Rechenleistung gegenüber dem XT-Modell liegt bei ca. 30%.
XL - ist eine Bezeichnung für den High-End-Bereich der ATI-Produktpalette (X1800XL). Bei dieser Variante ist meistens der Grafikspeicher gegenüber der XT bzw. XTX-Variante halbiert wurden. Die weiteren Änderungen sind unterschiedich. Somit können nicht so viele Datenmengen übertragen werden, wodurch meistens in niedrigeren Auflösungen gespielt werden muss.
Pro
- bei den Pro-Varianten, die in ATI-Grafikchips vorkommen, wurde der
Chiptakt sowie der Speichertakt verringert. Somit kann nicht die volle
Rechenleistung gegenüber dem XT-Modell rausgeholt werden.
GTO
- ist eine Bezeichnung für den High-End-Bereich der ATI-Produktpalette
(X1800GTO) und der Nvidia-Produktpalette (7900GTO). Diese Variante
kommt meist erst später als die XT- und XTX-Variante auf den Markt. Sie
besitzt meistenseinen geringeren Anteil an Pixel- bzw. Vertex-Shadern
als die XL-/XT- und XTX-Varianten. Außerdem ist der Speicher- und
Chiptakt verringert um ca. 20- 40%. Somiit können die Texturen nicht so
schnell berechnet werden, was sich in der Leistungsfähigkeit
wiederspiegelt. Also folgt daraus, dass die Speicherbandbreite geringer
ist.
GS-
ist eine Bezeichnung für die Nvidia-Produkte (7800GS). Diese Variante
besitzt nur die Hälfte des Grafikspeichers. Außerdem ist meistens der
Chip- und Speichertakt verringert um ca. 5%. Somit verringert sich die
Rechenleistung (GFLOP/s), die Texelfüllrate (MTex/s), sowie die
Speicherbandbreite (GByte/s) um jeweils ca. 6 %, was aber auch stark
vom Spiel abhänig ist, da viele Spiele schon auf viel Grafikspeicher
(mind. 256 MB) angewiesen sind.
SE/LE/VE -
ist eine abgespeckte Version von den vollwertigen Varianten (X800SE) im
Bereich der ATI- und Nvidia-Produkte. Diese Variante besitzt nur die
Hälfte des Grafikspeichers. Außerdem ist meistens der Chip- und
Speichertakt verringert um ca. 5%. Außerdem ist eine niedrigere
Speicheranbindung vorhanden, wodurch sie somit meist deutlich langsamer
sind. Des weiteren verringert sich die Rechenleistung (GFLOP/s), die
Texelfüllrate (MTex/s), sowie die Speicherbandbreite (GByte/s) um
jeweils ca. 6 %, was aber auch stark vom Spiel abhänig ist, da viele
Spiele schon auf viel Grafikspeicher (mind. 256 MB) angewiesen sind.
Wichtige Hinweise
Weitere wichtige Hinweise bezüglich der Grafikkartendaten sind außerdem, dass man nicht immer von dem Grafikspeicher ausgehen soll. Ein sehr gutes Beispiel ist die Radeon X1300 und die Geforce 7300. Diese Grafikkarten bieten viele Hersteller mit 512 MB an und denken an die Regel "viel hilft viel". Somit wird dann groß mit 512 MB Grafikspeicher geworben und viele Interessenten denken, dass sie viel Leistung für ihr Geld kriegen, da sie viel billiger sind als die Grafikkarten im High-End-Bereich, wie z. B. die Radeon X1900XT, die ebenfalls 512 MB besitzt. Aber es kommt nicht nur auf den Grafikspeicher an, der die Rechenleistung beeinflusst. Grundsätzlich ist gegen diese Entwicklung auch nichts einzuwenden, dass mehr Grafikspeicher verwendet wird - aktuelle Grafikkarten profitieren von dem Plus an Arbeitsspeicher. Problematisch wird es dann, wenn diese Speichermengen auf schwachen Grafikkarten verbaut werden, die dadurch unverhältnismäßig teuer werden. Diese Grafikkarten profitieren aufgrund der schwachen GPUs und der schwachen Speicheranbindungen (im schlimmsten Fall nur 64 Bit) von diesen Speichermengen nicht. Investiere lieber auf diesem Leistungsniveau in eine bessere GPU, als in eine Ausstattungsvariante mit viel Speicher.
Außerdem
darf man sich nicht von den Zahlen der Grafikkarten iritieren lassen,
da z. B. eine X1300 nicht ansatzweise so schnell ist, wie eine X800,
obwohl sie eine niedrigere Zahl besitzt und somit auch älter ist.
Grundsätzlich gilt für ATI- sowie Nvidia-Produkte: Die Tausenderstelle
(7900 > 7; 6600 > 6) gibt die Grafikkartengeneration an und
liefern streng genommen keine Informationen über die Leistungsfähigkeit
des Chips. Also gilt, umso höher die Tausenderstelle, desto neuer ist
die Grafikkarte. Die Hunderterstelle
(7900
> 9; 6600 > 6) stehen für die Leistungsklasse in einer
Generation. Je höher diese Zahl, umso höher ist in der Regel (durch die
verschiedenen Endungen, wie oben genannt, kann sich die
Leistungsfähigkeit einschränken) die Leistungsfähigkeit der
Grafikkarte.
SLI und Crossfire oder sogar Quad-SLI sind aktuell die Schlagworte im Grafikkartenmarkt. Viele Tests zeigen: Solche Dual-GPU Lösungen können bestimmte Spiele zwischen 50 und 70 % (je nach Grafiksettings) im Vergleich zu einer Einzelkarte beschleunigen. Was man an dieser Stelle nicht verschweigen darf: Nicht jedes Spiel profitiert von SLI oder Crossfire. Gerade ältere Spiele wie Counter Strike: Souce laufen bei moderaten Grafikeinstellungen auf SLI genauso schnell wie auf einer Einzelkarte. Grundsätzlich gilt: Je höher die Anfoderungen des Spiels oder der Qualitätseinstellungen (AUflösung, AA), umso stärker der Gewinn durch ein SLI-System. Aber auch hier gibt es wichtige Einschränkungen: Baue die keinesfalls ein SLI- oder Crossfire-System aus Einsteigerkarten zusammen. Solche Lösungen sind im Vergleich zur erbrachten Leistung eindeutig zu teuer. So kostet eine SLI-fähige Geforce 7300 GT aktuell ca. 90 € - bei zwei Karten sind das also 180 € (Kosten für das evtl. nötige SLI-Mainboard lasse ich wegfallen). Ein solcher SLI-Verbund ist in den meisten Spielen langsamer als eine einzelne Geforce 7600 GT. Investiere also an dieser Stelle lieber in eine schnellere Einzelkarte, statt ein Dualsystem aus 2 Einsteigerkarten. Im Prinzip sind solche Dual-GPU-Lösungen zur Zeit nur was für Framerate-Jäger, oder welche die alle Spiele in maximalen Details und maximaler Auflösung genießen wollen.
Mittlerweile haben die meisten Grafikkartenhersteller erkannt, dass viele Nutzer gern einen leisen PC hätten. Entsprechend bauen und bewerben die Hersteller passiv gekühlte Grafikkarten ohne Lüfter in allen Leistungsklassen. Bei vielen Grafikkarten bringt das keine Probleme: Einsteiger- und Mittelklasse-Karten wie eine Geforce 7300, eine 7600 oder eine Radeon X1300 lassen sich problemlos ohne einen Lüfter auf der Grafikkarte betreiben (grundsätzlich ist aber auch hier eine ordentliche Gehäuselüftung erforderlich). Problematisch wird es bei High-End-Karten. "Lautlose Spitzengrafik" ist mit den aktuellen Kühllösungen nicht möglich (unter Umständen kann man hier eine Wasserkühlung nachträglich einbauen und hat so fast eine lautlose Grafikkarte, aber auch hier mussen Radiatoren eingesetzt werden, die das Wasser im Kreislauf wieder abkühlen). Aktuelles Negativbeispiel auf dem Markt ist eine passiv gekühlte Geforce 7900 GT, bei der GPU-Temperaturen von über 120°C erreicht werden. Die bessere Kühlung für Silentfans: Kauf dir eine normale Grafikkarte und rüste dann den Kühler um. Die Firma Zalman bietet aktuell hervorragende Luftkühlungslösungen (VF-700- und VF-900-Serie) für fast alle Grafikkarten-Modelle an, die kaum hörbar sind und trotzdem ordentlich kühlen. Außerdem kann man die Lüfter über die mitgelieferte Lüftersteuerung manuell regeln.
"Mit 256 MB Turbo-Cache*". Siehst du das Sternchen nach dieser Marketingaussage? Wenn Ihr jetzt auf dem Prospekt nach einer Erklärung für dieses Sternchen sucht, findet ihr dort folgenden Text: "Die Grafikkarte greift je nach Bedarf auf den Hauptspeicher des PCs zurück." heißt im Klartext: Die karte selbst verfügt nur über sehr wenig Videospeicher - in der Regel nur 64 MB. Benötigt die Grafikkarte mehr Speicher, wird auf den Hauptspeicher des PCs ausgewichen. Dadurch ist die Performance solcher Karten vergleichsweise schlecht, die Leistung reicht bestenfalls für anspruchslose Gelegenheitsspieler. Mit "Turbo-Cache" bezeichnet Nvidia seine Speichertechnologie, das ATI-Gegenstück heißt "Hyper-Memory" - von Grafikkarten mit diesen Bezeichnungen sollten Spieler die Finger lassen.
Nun habe ich alles wichtige über Grafikkarten gesagt. Jetzt kannst du dir den Grafikkarten-Einkaufsführer anschauen, weil du jetzt einschätzen kannst, was für die Grafikkarte wichtig ist. Außerdem habe ich einen Herstellerlink für jede aufgeführte Grafikkarte hinzugefügt. Somit könnt ihr euch direkt beim Hersteller der Grafikkarte informieren. Doch die wichtigsten Daten habe ich natürlich auf meiner Homepage untergebracht. Des weiteren habe ich eine Leistungsindex zu jeder Grafikkarte hinzugefügt, damit Ihr sofort die Leistung einschätzen könnt. Außerdem seht Ihr den aktuellen Preis des jeweiligen Produktes, den ich anhand verschiedener Preisvergleiche (z. B. Preispiraten) ermittelt habe. Ich habe kein Preis-Leistungs-Verhältnis aufgestellt, da jeder selber entscheiden muss, wie viel er für seine Grafikkarte ausgibt. Wenn du weißt, wie viel Geld du für deine Grafikkarte ausgeben willst kannst du in meinem Grafikkarten-Einkaufsführer schauen, welche Grafikkarte die beste Leistung für dein Geld bringt. Wer natürlich z.B. unbedingt eine Grafikkarte mit HDMI-Eingang haben will, muss natürlich mehr bezahlen, als für eine Standard-Lösung dieses Modells.
VGA-Glossar
Leider sind die Grafikkarten auch sehr schnell veraltet, was durch die immer größer werdenden Datenmengen zustande kommt, die größtenteils von der Auflösung des Spiels abhängig ist. Außerdem gibt es für die Spiele ständig neu entwickelte Engines, die weitere Fähigkeiten, wie High Dynamic Renge Rendering (HDR) oder bis zu 16-fachem Anti-Aliasing ins Spiel integrieren.Wenn euch diese Begriffe ein Fremdwort sind oder ihr mehr dazu lernen wollt habe ich hier eine Übersicht von den wichtigsten Fachbegriffen und dessen dazugehörige Erklärung:
Arithmetic Logic Unit (ALU)
Der Begriff bezeichnet ein Rechenwerk innerhalb des Grafikprozessors. Eine moderne ALU muss dabei mindestens eine ADD-Operation zwischen 2 Vektor-4-Komponenten leisten können. Meistens wird aber nur die MADD-Leistung (multiplizieren und addieren der GPU).
Anisotrope Texturfilterung
Bezeichnet eine hochwertige Form der Texturfilterung, bei der analog zum Grad der Verzerrung auch stärker gefiltert wird als entlang weniger verzerrter Achsen.
Es gibt ein sehr mühseliges Problem in der Computergrafik. Es heisst Auflösung. Bei einer Darstellung von 320x200 Pixel auf einem Bildschirm, erscheinen Ellipsen und Kreise eher eckig denn rund. Mit der den Ingenieuren typischen Unbekümmertheit im Umgang mit Sprache wurde dies Aliasing genannt. Ein Alias ist eine nichtharmonische, sprich störende, Nebenwelle in der Hochfrequenztechnik. Das Gegenstück für Aliasing ist Anti-Aliasing oder einfach glätten. Wenn um einen schwarzen Kreis auf weissem Hintergrund ein grauer Rand gezeichnet wird, entschräft das die Kante. Die Schwierigkeit besteht darin, dass ein Pixel nicht nur zu einem Teil gefüllt werden kann. Oder doch? Darin liegt das Geheimnis des Anti-Aliasings.
Zeichnen wir eine Ellipse: an einem Ort wollen wir nur ein Zehntel eines Pixels ausgeben. Da das ja nicht geht, wie wäre es, wenn wir nur einen Zehntel der Farbe ausgeben? Und tatsächlich funktioniert es. Für jedes Pixel das nur teilweise dargestellt werden soll, wählt man einfach die Farbe, die zwischen der Vorder- und Hintergrundfarbe liegt. Wenn nur ein Viertel ausgegeben werden soll, mischt man 25% der Vorder- und 75% der Hintergrundfarbe. Genau das wurde in der Skizze getan. Für Farben funktioniert das Verfahren ähnlich, nur arbeitet man mit Farbtabellen, da es keine Formeln gibt, um eine Mischung aus beispielsweise 15% Orange und 85% Grün zu finden.
Alpha-BlendingBlending wird in den ROPs (Erklärung siehe Raster Operation Processor) durchgeführt und ist im Grunde die Farbmischung einer Quelle (aktuell berechnete Pixelfarbe) mit einem Ziel (z.B. vorher berechnete Pixelfarbe). Diese Berechnung kann mittels diverser Parameter beeinflusst werden. Das Ergebniss des Blendings wird dann in den Framebuffer geschrieben.
Bewegungsunschärfe
Bewegte Objekte erscheinen auf Film- und Fotoaufnahmen verwischt - und das um so stärker, je länger der Film belichtet wird. Um diese Bewegungsunschärfe nachzubilden, überlagert gängige 3D-Software mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Bilder.
Ohne Bewegungsunschärfe entsteht im Film bei schnellen Bewegungen ein Stroboskopeffet: Die Objekte blitzen an einigen Stellen auf dem Bildschirm auf, das Auge erkennt keine zusammenhängende Bewegung mehr.
Verhindert schachbrettartige Texturen bei Objekten im Vordergrund und das Flimmern weit entfernter Texturen. Man übernimmt für die Einfärbung eines Bildpunktes nicht nur einen einzelnen Texturpunkt, sondem interpoliert meist zwischen einer Gruppe von vier benachbarten Texturelementen. Das Filtern verbessert die Darstellung sehr und kann in jedem Spiel ein- und ausgeschaltet werden. Einige 3D-Chips wenden einen vereinfachten Algorithmus an und kaschieren den Schachbretteffekt nur zum Teil.
Bilineares Textur-Filtern
Beim Aufbringen einer Textur auf entfernte Objekte überdeckt ein Pixel meist mehrere Texturbildpunkte (Texel). Um durch Aliasing-Effekte verursachtes Flimmern zu verhindern, bildet man den Mittelwert aus vier oder mehr benachbarten Texeln.
Blendenflecke
Das einfallende Licht spiegelt sich zwischen den Linsen eines Kameraobjektivs - aller Oberflächenvergütung zum Trotz. Helle Lichtquellen, die direkt in die Kamera strahlen, erzeugen deshalb mehrere Lichtflecken auf dem Film, meist in Form der Blende. Hinzu kommen Stern- und Halo-Effekte. 3D-Software ahmt diese Unsauberkeiten nach, um Lichtquellen so abzubilden, wie man es aus dem Kino kennt. Kameraschwenks lassen die Lichtfiguren dramatisch über die Bildfläche wandern.
Vereinigung, Schnittmenge und Differenzmenge nach Art der Mengenlehre erlauben es, 3D-Modelle miteinander zu verschweißen oder als 'Bohrer' zu benutzen.
Aufwendige Modelle von Menschen, Tieren und Außerirdischen animiert man mit Hilfe eines einfachen Skeletts aus Bones (Knochen). Am Skelett lassen sich die gewünschten Posen wie an einer Gliederpuppe einstellen, typischerweise mit -> Inverser Kinematik. Die 3D-Objekte folgen den Bones - genau so wie auch in der Wirklichkeit die Knochen die Körperhaltung bestimmen.
Auch mit extrem aufwendigen 3D-Modellen lassen sich kaum die Poren einer Orange oder die Krater eines Mondes nachbilden. Ein sinnvoller Ausweg besteht im Bump-Mapping: kleine Abweichungen von der idealen Oberfläche werden mit Hilfe einer Art ->Textur als Höhenkarte beschrieben. Die Bump- Map schlägt sich in der Schattierung der Oberfläche nieder, nicht aber in den Umrissen der 3D-Modelle: Ein Mond mit Kratern die per Bump-Map erzeugt wurden, bleibt im Profil kreisrund (anders als beim Displacement Mapping, das aber extrem fein aufgelöste Objekte voraussetzt).
Rechteckige Begrenzung des Zeichenbereichs. Hardware-Clipping erfordert lediglich die übergabe der Fensterkoordinaten an den Grafikchip, um zu verhindern, dass angeschnittene Objekte außerhalb des OpenGL-Fensters erscheinen.
Collision Detection
Kollision Erkennung/Berechnung: in der Natur kann man in der Natur nicht mit dem Kopf durch die Wand. Bei Animationen passiert es aber schnell einmal, dass Füsse etwas im Boden stecken. Durch die Schwerkraft fallen Dinge nach unten, ohne das man sie darauf hinweisen musste. Teure Programme bieten diese natürlichen Phänomene als Basis für Animationen. So lassen sich etwa Schwerkraft, Wind und Masse einstellen. Ausserdem kann man einstellen, dass die Objekte voneinander abprallen. Um die Rechenzeit in Grenzen zu halten, werden um die Objekte sogenannte 'bounding boxes' gelegt. Diese Boxes sind einfache Würfel die das ganze Objekt umschliessen und somit die Form für die Kollisionsberechnung auf sechs Flächen reduziert.
Color-Key-Transperenz
Um komplizierte Objekte darzustellen, definiert man eine sonst nicht benötigte Texturfarbe als transparent (Color-Key). Auf diese Weise lößt sich beispielsweise ein Lattenzaun mittels eines einzigen texturierten Polygons erzeugen. Auf die Textur malt man den Zaun in der Lattenfarbe und füllt den Zwischenraum mit der als durchsichtig definierten Farbe aus. Das Verfahren ist auch für die Darstellung von Baumkronen und anderen unregelmäßigen Objekten wie Explosionen und Staubwolken wichtig. Durch Fehler in den Kartentreibern erscheinen die transparenten Bereiche manchmal in der ColorKey-Farbe (z. B. schwarz). Die Hersteller versuchen diese Fehler zu beheben, indem sie Patches für die betroffenen Spiele bereitstellen.
Cyperspace
Cyperspace hat zwei Bedeutungen: Zum einen ist es das abstrakte Universum auf der anderen Seite des Computerbildschirms und zum anderen die weltweitennetzwerke und Telekommunikations-Verbindungen.
Digital
In einer Form, die in Bits (mit 0 oder 1) gespeichert werden kann. Gegenteil von Analog.
Display-Liste
Eine Datenstruktur oder eine Liste von Grafikbefehlen, die ein Grafikobjekt oder alle Objekte einer Szene beschreibt. Ist ein Grafikchip in der Lage, eine Display-Liste im DMA-Betrieb selbständig auszulesen und abzuarbeiten, können Grafikchip und CPU weitgehend parallel arbeiten. Während des Aufbaus einer Szene wird so Prozessorzeit für den Aufbau einer neuen Display-Liste oder für andere Aufgaben frei.
Dither
Die Erzeugung von mehr Farben, als eigentlich dargestellt werden können. Dies geschieht durch die Mischung von kleinen benachbarten Punkten unterschiedlicher Farbe.
Double-Buffer
Um den Aufbau einer 3D-Darstellung zu verdecken, läßt man den Grafikchip in einem nicht sichtbaren Bereich des Bildspeichers (Back Buffer) zeichnen. Ist der Bildaufbau abgeschlossen, überträgt man die Daten in den sichtbaren Teil des Bildspeichers (Front Buffer) oder schaltet zwischen den beiden Buffern um (Page Flipping). Durch Synchronisieren mit dem Bildwechsel beseitigt man letzte Störungen (Tearing), verliert wegen der entstehenden Wartezeiten aber etwas Performance.
Environment-Map
Im leeren Raum lassen sich keine Wirkungsvollen Szenen mit metallischen Objekten herstellen: Es fehlt eine Umgebung, die sich in den Oberflächen spiegelt. Wahlweise arbeiten viele 3D-Programme daher mit einer Environment-Map dem zweidimensionalen Bild einer erfundenen Umgebung, das sich dann in den Objekten widerspiegelt. Dieses Verfahren erlaubt außerdem Metalleffekte ohne die komplette Berechnung der Spiegelungen (Raytracing).
Die Anzahl der Farben, die auf dem Bildschirm gleichzeitig dargestellt werden, können. Acht Bit Farbtiefe entsprechen dabei 2^8=256 Farben. True Color ermöglicht das Darstellen von 2^24=16'777'216 Farben. Neue 3D-Chips weisen einem Pixel nicht nur drei Werte für die Grundfarben (Rot, Grün, Blau) zu, sondern noch Werte für die Effekt-Berechnung: Transparenz, Nebel, Helligkeit von Glanzlichtern, Haupt-Textur sowie ekundär-Textur. Da bei der Berechnung der Perspektive oft Pixel interpoliert werden müssen und daher auch die Farbwerte neu berechnet werden müssen wird auf diese Weise eine optimale Abstimmung zwischen Farbe und Effekt erreicht.
Schwarz-Weiß
Graustufen
16 Farben
256 Farben
16 Millionen Farben
Floating-Point (FP)
Seit dem Shader-Modell 2 ist 24 Bit Gleitkommagenauigkeit als Standard für 2.0-Shader zwingend vorgeschrieben. Im Gegensatz zum 32-Bit-Rendering bedeutet dies aber die Genauigkeit pro Vektorkomponente (gesamt: 96 Bit). Das so genannte "Partical-Precision"- Flag (PP) erlaubt dazu fähigen GPUs, mit 16 Bit pro Komponente zu rechnen (insgesammt: 64 Bit). Für das Shader-Model 3 ist FP32-Genauigkeit vorgeschrieben (gesamt: 128 Bit) und auch hier ist der Einsatz des PP-Hinweises erlaubt.
Floating-Point-Operation (FLOP)
Wird in Verbindung mit einer Zeitangabe zur Bemessung der Leistungsfähigkeit von Prozessoren genutzt (Giga-Flop pro Sekunde).
Focal Blur
Simulation von Unschärfe, da Computerberechnete Bilder von vorne bis hinten gestochen scharf sind.
Fogging
Simuliert Nebel und verstärkt den Tiefeneindruck. Da 3D-Chips zur Zeit nur dann hohe Bildraten erreichen, wenn die Szene nicht mehr als 500 Polygone enthält, kann man nicht immer alle sichtbaren Objekte darstellen. In Spielen ist es daher auch ein Hilfsmittel, um die Sichtweite und damit die Zahl der sichtbaren Objekte zu begrenzen (depth clipping oder cueing).
fps
Frame-Rate oder 'Bilder pro Sekunde' (frames per second). Videos und Bewegungsabläufe erscheinen ab etwa 15 fps flüssig, Kinofilme laufen mit 24 fps, das Fernsehen arbeitet mit 25 fps.
Anti-Aliasing (FSAA, AA)
Kurzform des englischen "Full Scene Anti-Aliasing". Wird in der 3D-Grafik meistens mit Kantenglättung gleichgesetzt, obwohl das allein genau genommen nicht korrekt ist, da das Glätten von Kanten nur eine Form der Aliasing-Bekämpfung ist. Überall dort, wo eine digitale Abtastung stattfindet, kann Aliasing entstehen. Je grober die Zwischenschritte dieser Abtastung, desto stärker des Aliasing.
Die Helligkeitswerte sind in der Computerwelt digital ausgedrückt. Bei der Umsetzung in die für den Monitor verständlichen Signale unterlaufen Fehler. Diese Abweichung in der Helligkeit nennt man Gammawert. Nicht jeder Monitor ist gleich und so besitzt praktisch jeder Bildschirm einen anderen Gammawert.
Geometrieverarbeitung
Der Teil der Render-Pipeline, der die Position der Objekte berechnet. In der Regel muss man alle Objektkoordinaten zweimal transformieren: Vom lokalen Koordinatensystem des Objekts in das Weltsystem und von dort in das des Betrachters. Im Weltsystern findet die Beleuchtungsberechnung statt. In Spielen verzichtet man meist auf eine realistische Beleuchtung und kommt dadurch mit nur einer Transformation vom Objekt in das Betrachtersystem aus. Die Gleitkommaleistung des Systemprozessors begrenzt die Zahl der darstellbaren Objekte.
Gouraud-Shading
Im Gegensatz zum Flat-Shading erzeugt der Grafikchip durch Interpolation zwischen den Farb- und Helligkeitswerten der Polygoneckpunkte einen Verlauf innerhalb der Polygone. Auf diese Weise erscheinen Oberflächen gleichmäßig gekrümmt, auch wenn sie aus flachen Facetten zusammengesetzt sind.
Graphics Processing Unit (GPU)
In Anlehnung an die CPU (Cental Processing Unit) wird der Grafikprozessor als GPU bezeichnet. Auch die Abkürzung VPU für "Visual Processing Unit" ist üblich.
HDR-Rendering
HDR steht für "High Dynamic Range" und bezeichnet im 3D-Grafikbereich einen erhöhten Kontrastumfang im Vergleich zum normalen Wertebereich des 32-Bit-Renderings mit 8-Bit-Integer-Genauigkeit pro Kanal. In der Bildverarbeitung wird von HDR erst ab 32 Bit Gleitkommagenauigkeit pro Komponente gesprochen. HDR-Rendering wird oft anhand von so genannten Bloom-, also Überblendungs-Effekten, beschrieben. "HDR" als solches ist aber kein allen stehender 3D-Effekt und auch nicht an ein bestimmtes Shader-Modell gekoppelt.
Inverse Kinematik
Finger, Arme und Beine sind aus unzähligen Gliedern zusammengesetzt. Um eine Pose einzustellen (oder zu animieren), müßte man alle Körperglieder einzeln in die gewünschte Lage bringen (Vorwärts-Kinernatik). Inverse Kinematik vereinfacht das: Mit ihrer Hilfe verhält sich das 3D-Modell wie eine Gliederpuppe. Es genügt zum Beispiel, an einer Fingerkuppe zu ziehen, um den Finger zu strecken - oder sogar den gesamten Arm.
Bezeichnet die hierarchische Anordnung von Objekten in einer Animation. Beispiel: der menschliche Arm. Am Ende des Oberarmes beginnt am Ellbogen der Unterarm, daran die Hand, an der sich wiederum die einzelnen Finger befinden. Genau so eine Hierarchie kann in einem Animationsprogramm definiert werden. Bewegt man den Oberarm, so bewegen sich die darunterliegenden Teile automatisch mit. Einen Schritt weiter geht die inverse oder true kinematic. Hierbei kann man am Finger ziehen und der Rest des Arms bewegt sich innerhalb der durch die Gelenke gegebenen Grenzen mit. Eine grosse Erleichterung bei der Gestaltung von Bewegungsabläufen.
Metaballs
Organisch runde 3D-Modelle entstehen meist mit Hilfe von ->Splines, oft aber auch mit Metaballs: Kugeln, die wie flüssiges Metall zäh aneinanderkleben.
Zur Vermeidung von Texturflimmern bei starker Verzerrung einer Textur werden sogenannte MIP-Maps verwendet. MIP stammt vom lateinischen "multum in parvo" und bedeutet "viele in einem". Zusätzlich zur Basistextur werden dann auf jeder Achse auf 50% der Ursprungsgröße herunterskalierte MIP-Maps genutzt.
Morphing
Durch überblenden der geometrischen Struktur kann man eine Teekanne in eine Kugel verwandeln - oder mit den Mienen eines Gesichts spielen.
- Tweening; schrittweise Metamorphose eines Umrisses in einen anderen.
- Insbesondere Tweening von Farbbildern, im Gegensatz zu einfachen Linien und Polygon-Umrissen.
Eine Verwandlung in der Bewegung. Normalerweise verwendet man ein Start- und ein Endbild. Bei dieser Technik wird beispielsweise ein sich bewegender Mensch in einen sich bewegenden Affen verwandelt.
Operation
ALUs können diverse logische Operationen ausführen, darunter einfache wie ADD (Addition), MUL (Multiplikation), MAD(D) (Addition und Multiplikation), SUD (Subtraktion) und kompliziertere Operationen wie LOG (Logarithmus), RSQ (Quadratwurzel) oder SCS (Sinus-Cosinus). Je nach Potenz des Rechenwerkes brauchen die komplexeren Operationen unter Umständen mehrere Takte.
Partikelsystem
Es wäre zu aufwendig, tausende von Funken, Regentropfen oder Sprudelbläschen als einzelne Objekte zu erzeugen und in Bewegung zu setzen. Partikelgeneratoren erzeugen solche Teilchenschwärme automatisch aus Angaben zu Richtung, Geschwindigkeit und Zufallseinflüssen. Die Software bewegt die Partikel nach den Gesetzen der Physik automatisch.
Sind von den 3D-Objekten Masse, Reibung und andere physikalische Größen bekannt, läßt sich der Verlauf einer Bewegung automatisch simulieren - statt mühsam per Hand programmieren. So springt z. B. ein Ball eine Treppe herab.
Ehemals ein Begriff, um die Leistungsfähigkeit einer Grafikkarte anhand der parallelen Pixel-Kanäle einzuschätzen. Da die einzelnen Stufen dieser Kanäle (Alu/ Pixel-Shader, TMU und ROP) aber immer weiter voneinander entkoppelt werden, sagt dieser Wert nur noch wenig aus und wird in Zukunft keine Verwendung mehr finden.
Pixel-Shader
Bezeichnung sowohl ffür die Hardware-Einheit modernerer 3D-Karten als auch für die Programme, die auf ihnen ausgeführt werden. Im Pixel-Shader werden Berechnungen und Texturoperationen auf Pixel-Ebene durchgeführt, die zur entgültigen Farbbestimmung notwendig sind.
Pixelprozessor (Quad-Pipeline)
Sie beschreibt die Anzahl der in einer GPU integrierten, so genannten Quad-Pipelines, die bei aktuellen Modellen für je vier Pixel zugleich arbeiten. Aktuell sind jeder Quad-Pipeline auch jeweils 4 TMUs zugeordnet, damit die Texturoperationen auch keinen Leerlauf erzeugen. Wie bei der reinen Angabe der Taktfrequenz, so gilt auch hier: Viele Pixel-Prozessoren sind nur einer von vielen Faktoren, welche die Leistungsfähigkeit einer Grafikkarte bestimmen. Zum Thema "wichtigste Faktoren der Leistungsfähigkeit einer Grafikkarte" habe ich euch weiter unten eine zusätzliche Übersicht gemacht..
Pixel
Kunstwort, welches den einzelnen Punkt am Bildschirm bezeichnet, abgeleitet aus "Picture Element". Da ein Pixel aus mehreren Bestandteilen berechnet wird, wird für diese oft der Begriff Sub-Pixel benutzt. Ebenso wird von einem Sub-Pixel gesprochen, wenn man eines der drei Elemente meint, aus denen sich ein Pixel am Bildschirm zusammensetzt.
Prozendurale Texturen
Herkömmliche -> Texturen werden aus aufprojizierten zweidimensionalen Bildern erzeugt (linke Abbildung). Um die dreidimensionale, innere Struktur von Marmor, Holz und anderen Materialien nachzubilden, benutzt man statt dessen errechnete Muster: prozedurale Texturen (Bild rechts).
Wird kurz auch ROP oder Render-Backend genannt und bezeichnet im Grunde alles das, was sich logisch gesehen nach dem Pixel-Shader abspielt. Hierunter fallen zum Beispiel die Blending-Einheiten, Z-/Stencil-Vergleiche und die Sichtbarkeitsprüfung von MSAA-Samples.
Raytracer
Ein Programm, das photorealistische Bilder erzeugt, indem es das Zusammenwirken der Lichtstrahlen in einem 3-D-Modell berechnet.
Raytracing
Zeilenweises abtasten der Umgebung mittels vom Beobachter ausgehender 'Sehstrahlen'. Wer mehr über Raytracing erfahren will klickt einfach hier. Ebenfalls interessant ist das Raycasting, was mit dem Raytracing in Verbindung steht.
Render-Pipeline
Der Begriff der 3D- oder Renderpipeline umfasst die logischen Schritte von der Eckpunkterzeugung bis hin zum endgültigen Schreiben der Pixel-Farbe in der Framebuffer. Darin enthalten sind die eigentliche Erzeugung der Eckpunkte, deren Veränderung und Beleuchtung, die Erstellung der Dreiecke aus den Eckpunkten (Triangle-Setup), das Überführen aus stetigen mathematischen beschreibungen in ein Pixelraster (Rasterisierung), das Berechnen der Pixel-Informationen inklusive Texturen, Alpha-Blending und das endgültige schreiben in den Bild-Puffer.
Rendering
Die Beschreibung des gesamten Prozesses der Bildberechnung. Angefangen von den Berechnungen der Vertex-Koordinaten in der CPU bis hin zum finalen Schreiben der Pixelfarbe in den Framebuffer, dessen Inhalt auf dem Monitor dargestellt wird.Im Prinzip das Erzeugen eines zweidimensionalen Bildes aus einem 3D-Objekt, durch die Berechnung, wie es von einem bestimmten Blickwinkel aus aussieht. Die Anwendungsgebiete sind Zahlreich: Moleküldesign, Maschienenbau, Architektur, Spiele. Wer mehr über Rendering erfahren will klickt einfach hier. Ebenfalls interessant ist das Recasting, was mit dem
Schatten
In Sachen Schatten gibt es aktuell zwei verbreitete Techniken: Einerseits existieren sogenannte "Shadow-Volumes", wie sie zum Beispiel in der aktuellen id-Engine (Doom 3 und Quake 4 [beide dt.]) oder F.E.A.R. genutzt werden. Hier erzeugt die CPU von einer Lichtquelle aus um die Silhouetten der Modelle zusätzliche Geometrie. Diese Schattenräume sind unsichtbar. Erst dort, wo sie auf andere Geometrie-Modelle wie zum Beispiel einen Tisch treffen, verwerfen die ROPs alle Lichtberechnungen, sodass der Bildpunkt nicht zusätzlich beleuchtet wird. Daneben werden häufig noch Shadow-Maps verwendet. Hierbei handelt es sich um einkanalige Texturen, deren Inhalt die Szene aus der Sicht jeder einzelnen Lichtquelle ist. Darin wird der Tiefenwert eines Pixels gespeichert, aus dem dann später der Schatten gewonnen wird. Hier gibt es verschiedene Arten der Berechnung. Eine davon nutzt "Percentage Closer Filtering" (PCF), sofern die Textureinheiten der GPU dies unterstützen. Tun sie das nicht, sehen die Ränder der Schatten teilweise recht grobpixelig aus, z. B. in Spielen wie Battlefield 2, NfS: Most Wanted oder Schlacht um Mittelerde 2. Theoretisch könnte man die fehlende PCF-Funktionalität auch per Pixel-Shader-Berechnung nachbilden, dies kostet allerdings zusätzlichen Aufwand bei der Shader-Erstellung aufseiten der Software-Hersteller und bei den Berechnungen der GPU. So wird zumeist auf diese Option verzichtet.
Schattierung
Farbverlauf der die Plastizität des Objektes erhöhen soll ohne das wirkliche Berechnungen durchgeführt werden. Es stehen mehrere Modelle zu Auswahl:
Setup-Engine
Folgt in der Render-Pipeline unmittelbar auf die Geometrie-Engine. Der Dreiecksrenderer im 3D-Chip benötigt bis zu 30 verschiedene Parameter für jedes einzelne Dreieck, so zum Beispiel die Texturkoordinaten, die Perspektivparameter, den Anstiegswinkel der Dreieckskanten und die Zahl der vom Dreieck überdeckten Bildschirmzeilen. Die Setup-Engine berechnet diese Parameter aus den Koordinaten der Geometrieverarbeitung.
Shader-Modell
DirectX unterteielt die seit Version 8 vorhandenen Shadereinheiten ihren Fähigkeiten endsprechend in verschiedene Versionen. In diesen Shader-Modellen sind jeweils Pixel- und Vertex-Shader zusammengefasst. Folgende Versionen existieren in bisher veröffentlichten Grafikkarten oder Grafikchips:
- Shader-Modell 1: enthält Vertex-Shader 1.1 und Pixel-Shader 1.1-1.4
- Shader-Modell 2: enthält Vertex-Shader 2.0 und Pixel-Shader 2.0-2.X
- Shader-Modell 3: enthält Vertex-Shader 3.0 und Pixel-Shader 3.0
Für das kommende D3D10 in Windows Vista ist das Shader-Modell 4 vorgesehen, welches unter anderem einheitlich programmierbare Shader für den Pixel- und Vertex-Bereich vorsieht. Diese Shader nennen sich Unifield Shader.
Shadow-Map
Ohne großen Rechenaufwand erzeugt Raytracing unrealistisch harte Schatten (linkes Bild). Schneller und mit weichen Schatten arbeiten Shadow-Map-Verfahren. Sie versagen aber bei transparenten Objekten (rechtes Bild).
Shadow Mapping
Wie schon erwähnt können Schatten nur beim Raytracing-Verfahren berechnet werden, nicht aber beim Rendern. Mit einem Trick ist es aber dennoch für Spotlichter möglich. Bei der Bildberechnung wird die Kamera zunächst an die Stelle des Lichts gestellt und das Objekt, welches einen Schatten werfen soll von dort aus berechnet. Auf Grundlage dieses Bildes, das von der Lampe aus auf die Szene projiziert wird, wird dann der Schattenwurf simuliert.
Skinning
Bezeichnet eine Technik zur Animation zum Beispiel von Spiele-Charakteren. So genanntes Matrix-Skinning vermeidet dabei die eventuell auftretenden Lücken im Drahtgittermodell, wenn zwei Polygongruppen in einem ungünstigen Winkel zueinander liegen.
Specular Highlights
Glatte Oberflächen reflektieren Lichtquellen in Form von sogenannten Glanzlichtem. Der Effekt verstärkt die Wirklichkeitstreue einer Spielegrafik.
Spiegelungen über Texturen
Manche Materialien besitzen keine oder nur wenig Eigenfarbe. Spiegelnde Oberflächen wie Chrom, Glas, Wasser oder Plastik bekommen ihr typisches Aussehen erst durch ihre Umgebung, die sich in ihnen spiegelt. Nehmen wir eine Kugel aus Chrom. In der Natur gibt es immer etwas, was sich in so einem Gegenstand spiegelt, beim Raytracing oder Rendering ist der Raum zunächst völlig leer, was bedeutet, dass sich auch nichts spiegeln kann. Das Objekt scheint fast schwarz. Erst wenn weitere Gegenstände in die Szene plaziert werden, wird die Kugel für uns sichtbar. Das Aussehen von hochspiegelnden Flächen wird also ausschliesslich über die Reflexionen bestimmt. Um so real wie möglich zu sein, müsste man nun etliche Gegenstände konstruieren, oder man wendet die Standartmethode an: ein Trick. 'Reflection maps' sind Texturen, die sozusagen als Reflexionsumgebung verwendet werden. Die reflection map (oder global map) wird unsichtbar für die Kamera wie eine Kugel um die ganze Szene gelegt und spiegelt sich nun in allen Gegenständen mit einer reflektierenden Oberfläche. Reflection maps sehen unspektakulär aus und sind zudem oft auch noch unscharf. Als Reflexion in spiegelnden Objekten erfüllen sie aber ihren Zweck. Ein Bild eines einfachen Zimmers (möglichst in Weitwinkelaufnahme) eignet sich ausgezeichnet. Speziell für Chrom sind blauer Himmel mit ein paar Wolken Garant für gute Resultate. Alle Logos oder Schriftzüge aus Chrom, Gold oder Silber sind mit reflection maps 'poliert'. Verwendet man eine bewegte reflection maps (zum Beispiel vorbeiziehende Wolken), so bewegen sie sich die Reflexionen in den spiegelnden Objekten und lassen sie noch realistischer aussehen.
Ein weiterer Nachteil der Computerberechneten Bilder ist die Schärfe. Die Bilder sind überall scharf. Vorne, hinten, links und rechts. Auch sich schnell bewegende Objekte (wie ein rennender Gepard) sind scharf wie eine Rasierklinge, ganz unseren Sehgewohnheiten zum trotz. Seit 'Jurrasic Parc' ist diesem untragbaren Zustand genüge getan. 'Focal Blur' für die allgemeine Bildschärfe und 'Motion Blur' für die Bewegungsunschärfe heissen die Begriffe hierfür. Die Techniken die dahinter stecken sind aber geheimer als das wahre Alter von Liz Taylor, da mit solchen Effekten in Hollywood zurzeit das grosse Geld gemacht wird.
Splines
Spline-Kurven dienen dazu, weich gerundete Bewegungspfade oder Querschnitte von Objekten festzulegen. Spline-Flächen (mittleres Bild) erlauben, organisch runde Körper zu bilden. Sie schmiegen sich an Kontrollpunkte, die im Raum plaziert sind (Bild rechts). Durch Verschieben dieser Kontrollpunkte werden die Splines geformt - ein äußerst effektives Verfahren, vergleicht man es mit der Bearbeitung der Hunderte von Polygonen, in die typische 3D-Software Objekte auflöst (Bild links). Von den diversen Typen an Spline-Kurven und -Flächen sind besonders die Bezier-Kurven bekannt: Sie dienen jeder besseren Zeichensoftware als Grundelement. CAD-Anwendungen verwenden NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines), mit denen sich im Gegensatz zu anderen Spline-Typen zum Beispiel exakte Kreise konstruieren lassen. Die Kontrollpunkte, mit denen NURBS-Kurven und -Flächen gesteuert werden, besitzen jeweils einen Gewichtsfaktor. Er regelt, welchen Einfluß der Kontrollpunkt auf die Form hat.
Eine wichtige Funktion für das Texture-Mapping. Damit Texturen nicht springen, wenn sich das Objekt oder der Betrachter langsam bewegt, muss man Texturkoordinaten mit einigen Stellen nach dem Komma berechnen. In Verbindung mit Texturfilterung läßt sich so Flimmern verhindern.
Texel
Grafikkarten speichern Texturen in Form einer rechteckigen Anordnung von Bildpunkten. Da die Bildpunkte einer Textur in der Regel nicht den von der Grafikkarte angezeigten Bildpunkten entsprechen, unterscheidet man zwischen Texeln (= Texture Element) und den von der Grafikkarte angezeigten Pixeln.
Textur
Eine Textur ist, abstrakt gesehen, eine Matrix, in der Werte hinterlegt sind. Es gibt 1D-, 2D-, 3D- und Cube-Texturen. Texturen mit Bildschirminhalten (Holz, Metall, Stein) werden zur Färbung von Pixeln genutzt. Sie können aber auch vorberechnete Werte, normalen Vektoren oder Ähnliches enthalten.
Mit all den oben genannten Parametern kann man eine Fläche nicht wie eine geziegelte Wand aussehen lassen. Natürlich ist es denkbar, die Ziegel und den Mürtel als selbständige Objekte zu konstruieren. Sofern man ein Arbeitswürdiger Mensch ist, wäre das Problem damit gelöst. Der Arbeitsaufwand für das konstruieren von Millionen Dinosaurierschuppen ist aber für normalfaule Menschen nicht tragbar. Zudem würde der Umfang an Daten jeden Grossrechner in die Knie zwingen.
So wie es Tapeten gibt, die aussehen wie eine Ziegelwand, ist es beim Raytracing und Rendering möglich, 'digitale Tapeten' zu verwenden. Einfach ein digitales Foto einer Ziegelwand auf ein Objekt gelegt und fertig ist die Mauer. Mit einem einfachen Trick kann man ohne grossen Aufwand jedem Objekt ein beinahe beliebiges Aussehen verleihen. Das man auch die anderen Parameter entsprechend einstellen muss, versteht sich von selbst. Ein glänzender Teppich würde wohl wenig glaubwürdig erscheinen. Dieses als 'texture mapping' bekannte Verfahren ist heute in jedem Raytracing- und Renderingprogrammen Gang und Gäbe. Mauern, Holz, Granit, Steinböden und so weiter, werden meist über solche Texturen erzeugt.
Ganz so unproblematisch ist es allerdings nicht. Auf eine einfache Fläche das Bild einer Wand zu projizieren ist noch relativ einfach, schwieriger sieht es mit Objekten aus, die in der Form komplexer sind. Zwar kann man eine Textur auch zylindrisch oder als Kugelprojektion auf das Objekt legen, aber selbst das ist oft unbefriedigend. Nahtstellen oder Verzerrungen lassen sich oft nicht verbergen. Ein weiteres Problem ist die Auflösung der verwendeten Textur. Kommt man mit der Kamera zu nah an das Objekt heran, erscheinen die einzelnen Pixel der 'digitalen Tapete' und zerstören die Illusion. Man müsste für die einzelnen Bildpunkte eine so hohe Auflösung wählen, dass diese auch dann noch ausreicht, wenn das Objekt nah an der Kamera ist. Selbst diejenigen Grafiker, deren Computer mit viel Arbeitsspeicher gesegnet ist (man kann übrigens nie genug haben), werden an dieser Stelle in Schwierigkeiten geraten, da für die Berechnung jede Textur in den Speicher geladen werden muss.
Erste Abhilfe schaffen Texturen, die 'kachelbar' sind. Um Speicher zu sparen nimmt man nicht riesige Bilder, die das ganze Objekt bedecken, sondern kleine kachelartige Bilder, die sich nahtlos aneinander fügen lassen. Ganz einfach funktioniert das natürlich bei Materialien, die eine Regelmässigkeit in der Struktur aufweisen wie etwa Parkettboden, Steinplatten oder Mauern. Diese kleinen Texturen werden auf dem Objekt immer wieder wiederholt und überdecken so die gesamte Fläche, brauchen aber nur einen Bruchteil des Speichers. Schwieriger sieht es da schon bei unregelmäßigen Strukturen aus. Jedoch bietet der Markt auch etliche solcher 'tiles' (engl. Kachel) an. Ein kleiner Trick, um praktisch jede Textur kacheln zu können, ist, sie beim Aneinanderreihen zu spiegeln. Leider sind, ob gespiegelt oder nicht, die Nahtstellen manchmal doch zu sehen.
Textur-Cache
Da Bildspeicherzugriffe 64 Bit breit oder in Serien (Bursts) erfolgen, liefert der Speicher mehr Daten pro Zugriff, als unmittelbar gebraucht werden. Ein im 3D-Chip integrierter 4 bis 8 KByte großer Texture-Cache speichert diese Daten und erhöht wie der L1-Cache der CPU die Zugriffsgeschwindigkeit.
In der TMU integriert ist bei heutigen GPUs ein bilinearer Filterkern. Dieser kann vier Texturwerte aus einer Textur auslesen und zu einem bilinear gefilterten Textur-Sample verrechnen. In Verbindung mit Mip-Mapping kann durch mehrere Durchläufe auch trilineare Filterung erreicht werden.
Texture Mapping Unit (TMU)
Diese sorgt für das Aufbringen einer Information aus einer Textur auf einen Bildpunkt. TMUs verschiedener Hersteller unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Fähigkeiten und Grad der Programmierbarkeit stark voneinander. Atis und Nvidias TMUs bauen auf einem biliniaren Filterkern auf.
Tiefenunschärfe
Eine reale Kamera ist meist nur auf eine bestimmte Entfernung scharfgestellt. Hintergrund und Vordergrund erscheinen verschwommen. Dieser in 3D Software nachgeahmte Effekt hilft dem menschlichen Auge, die Perspektive wahrzunehmen.
Trilineares MIP-Mapping
Ein sehr hochwertiges Verfahren für das Texture-Mapping. MIP steht für "multum in parvo" (vieles im Kleinen) und meint die Verwendung von Texturen in verschiedenen Auflösungsstufen. Auf nahen Objekten muss man eine Textur sehr detailliert darstellen, zum Beispiel mit 256 x 256 Texel. In der Ferne überdeckt die Textur nur wenige Bildpunkte, und man benötigt nur eine Auflösung von 8 x 8 Texel, in der die Details ineinander verschmolzen sind. Die meisten Grafikchips können bis zu acht verschiedene Stufen verwalten und selbständig die passende bestimmen. Arbeitet der Chip innerhalb der Texturen mit bilinearer Filterung und kann außerdem noch Mittelwerte aus zwei aufeinanderfolgenden Texturstufen bilden, spricht man vom trilinearen MIP-Mapping.
Tweening
Berechnen mehrerer Zwischenbilder zwischen Schlüsselbilder in einer Animation.
Triangle Setup
Objekte werden im Computer meist mit Dreiecken nachgebildet. Die Anzahl der Dreiecke bestimmt wie genau das Abbild wird, aber auch der Rechenaufwand hängt direkt von ihr ab.
uv-Texturkoordinaten
Verformt man 3D-Körper, die mit einer -> Textur versehen sind, verschiebt sich das Texturbild (Bild links). Spline-Flächen und speziell vorbereitete Polygon-Objekte besitzen dagegen Koordinatenlinien auf ihrer Oberfläche. Nutzt man sie zum Auftragen der Textur, verformt sich das Farbmuster, als ob es auf die Fläche gemalt wäre (Bild rechts).
Alle Informationen, ob nun textur-, vertex- oder pixelbezogen, liegen getrennt in vier einzelnen Kanälen vor. Texturen sind zum Beispiel nach Rot, Grün, Blau und Alpha (Transparenz-Wert) -RGBA- unterteielt. Auch Pixel-Werte können so aufgeteielt sein. Bei vollen 4 Kanälen spricht man von Vektor-4. Um Rechenleistung zu sparen, können moderne GPUs die Kanäle mehr oder weniger variabel aufteilen und so z. B. Normal-Map-Texturen mit nur je 2 Kanälen in einem Durchgang bearbeiten (Vektor2/2 Split).
Verformung
Viele 3D-Software-Programme erlauben, fertig modellierte Objekte nicht nur zu drehen, zu verkleinern und zu vergrößern, sondern auch zu verzerren. Mit wenigen Mausklicks entstehen Animationsfilme, in denen sich Objekte verbeugen oder zur Schraube wringen. Den größten Gestaltungsspielraum bieten Freiform-Verformer: Hier stellt man die Verzerrung ein, indem man einen Gitterwürfel in die gewünschte Form zieht.
Vertex-Shader
Bezeichnung sowohl für die Hardware-Einheit moderner Grafikkarten als auch für die Programme, die auf ihnen ausgeführt werden. Hier werden Eckpunkte transformiert, Beleuchtungsberechnungen per Vertex durchgeführt oder das für die Charakteranimation wichtige Skinning erledigt. Die Vertex-Einheiten aktueller GPUs sind so stark ausgelegt, dass sie in Spielen fast nie zum begrenzenden Element werden.
Virtuelle Realität
Obwohl es keine festen Regeln gibt, was ein Virtual-Reality-System umfassen oder nicht umfassen sollte, verwenden die besten Systeme die folgenden Grundelemente:
- Eingebundenheit: eine andere Realität soll von innen erlebt und nicht durch ein Fenster betrachten werden.
- Steuerung: Fähigkeit, in der künstlichen Realität die Umgebung erforschen, sich 'bewegen' zu können.
- Manipulation: die künstliche Umgebung sollte (um real zu wirken) beeinflussbar sein. Die Gegenstände müssten Beweglich sein. Es darf nicht wie ein Museum wirken, wo bekanntlich nichts erlaubt ist.
Um realistische Lichtkegel darzustellen, genügt es nicht, eine dreieckige Fläche auf dem Bild aufzuhellen: Objekte, die in den Kegel hineinragen müssen einen Schatten daraus aussparen. Das gelingt nur mit trickreichen oder aufwendigen Volumen-Rendering-Verfahren.
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