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Grafica FS2004

La Pipeline 3D

Praticamente tutti i moderni giochi per computer si trovano davanti al problema di fornire una rappresentazione su uno schermo bidimensionale di una realtà virtuale in tre dimensioni. Il processo di conversione dalla realtà virtuale alla rappresentazione 2D sullo schermo prende il nome di Pipeline 3D. Per chi non ne è familiare, il concetto di pipeline in informatica consiste nel dividere il lavoro da portare a termine in diversi stadi, ciascuno controllato da un'unità diversa ed eseguire il lavoro come una catena di montaggio: appena uno stadio ha completato il proprio compito, inizia a lavorare su quello successivo, senza aspettare che il lavoro sia ultimato anche dagli altri stadi.
Per capire meglio questo concetto, si pensi a questo esempio: supponiamo di dover gestire una lavanderia. Per ogni capo di abbigliamento dobbiamo eseguire tre fasi distinte e consecutive: lavaggio, asciugatura e stiratura. Supponiamo per semplicità di avere una sola lavatrice, una sola asciugatrice e una sola persona addetta allo stiro e che ciascuno riesca lavare, asciugare o stirare un abito all'ora. Perché un abito sia pronto sono necessarie tre ore. Completato il processo su un abito, si ricomincia l'operazione con l'abito successivo. Questo è un sistema non particolarmente intelligente: la lavatrice infatti così lavorerebbe soltanto per un ora ogni tre e sarebbe spenta per due ore. Il modo efficiente per gestire la lavanderia è chiaramente quello di iniziare a lavare il secondo capo appena il primo è stato lavato e passa all'asciugatrice. Questa è l'essenza della Pipeline. A regime, ad ogni ora viene completato un abito, pur essendo la velocità di lavaggio immutata (richiede tre ore dall'inizio alla fine); il trucco è che più abiti vengono processati contemporaneamente.
Nella Pipeline 3D si parla di punti dello schermo e non di abiti. Ogni fotogramma (in inglese frame) è composto da punti e la potenza della pipeline 3D risiede nel fatto che i punti dell'immagine sono indipendenti l'uno dall'altro e possono essere calcolato organizzando l'elaborazione in pipeline.
In realtà quanto detto non è propriamente esatto: le pipeline infatti sono due, quella geometrica (dove i protagonisti sono i vertigi dei triangoli) e quella dei punti.

Descriviamo brevemente questi stadi di elaborazione della pipeline 3D:

Primo stadio: aggiornamento del database. La scena da riprodurre viene rappresentata schematicamente in termini di punti, linee, poligoni o figure più complesse. La realtà, ridotta a primitive elementari, viene quindi facilmente animata dal motore di intelligenza artificiale che, per ciascuno di questi elementi, applica le opportune equazioni matematiche che permettono di calcolare la loro posizione nello spazio ad un preciso istante temporale. Questo stadio è ad opera della CPU e propriamente non fa parte della pipeline 3D. La scena alla fine viene descritta in termini di vertici: questi sono gli spigoli di triangoli. Il triangolo è infatti la figura geometrica più semplice da elaborare ed è perfettamente nota una volta descritti i tre vertici. Da notare che, per triangoli adiacenti, alcuni vertici sono comuni, per cui spostare un vertice implica operare su più triangoli contemporaneamente. I dati dei vertici vengono quindi passati al processore grafico, la GPU, che porta avanti il resto dell'elaborazione. In FS questo stadio si occupa di calcolare la posizione del proprio aereo all'interno della scena da visualizzare (in base alle dinamiche di volo), di calcolare la posizione degli aerei AI, di calcolare quali oggetti 3D devono apparire (autogen, hangar, edifici aeroportuali, ecc...), la posizione delle nuvole ecc...

Secondo stadio: elaborazione geometrica. In questo stadio la scheda video può applicare delle trasformazioni ai vertici in base a determinati programmi molto semplici. Questi programmi permettono di modificare la posizione di alcuni vertici e di calcolare un valore di illuminazione per i medesimi in base alle luci presenti. La capacità di modellare vertici è stata introdotta con la versione 7 delle librerie Direct3D e supportata per prima dalle schede GeForce di nVIDIA. Allora i programmi non erano flessibili: era possibile solo usare una determinata sequenza di passi per trasformare ed illuminare la scena. La tecnica prendeva il nome di Transform & Lightning (T&L). Con la nVIDIA GeForce 3 e la ATi Radeon 8500, tale tecnica è stata evoluta con la possibilità di usare programmi personalizzati. L'unità in grado di elaborare questi programmi è definita Vertex Shader e il linguaggio di programmazione è stato standardizzato con le Direct3D 8.1 e aggiornato con le 9. Le attuali schede dispongono diverse unità di Vertex Shader che lavorano in parallelo su diversi vertici: infatti i programmi di Vertex Shader lavorano con un solo vertice alla volta. Tipiche funzioni del Vertex Shader sono le animazioni dei personaggi, in particolare quelle che riguardano i volti dei medesimi e dei tessuti, troppo dispendiose se fatte fare alla CPU visto l'alto numero di punti, mentre la GPU dispone di batteria di unità dedicate proprio per questo e quindi l'elaborazione è molto più efficiente. Ancora una volta, ogni vertice può essere elaborato indipendentemente, per cui l'esecuzione in pipeline risulta molto efficiente. FS2004 utilizza il vertex shader (o meglio il T&L) soltanto per animare gli oggetti, compresi i flap, i carrelli e le parti mobili degli aerei. Questo spiega perché nei vecchi aerei disegnati per FS2000 non si vedono le parti animate se vengono usati in FS2004. Il Vertex Shader può essere comunque simulato via software dalle Direct3D qualora non sia presente il supporto hardware. Qualora la funzione "Transform & Lightning" sia attivata nella configurazione, viene usato un programma di Vertex Shader anche per calcolare l'illuminazione della scena, quindi la luce su tutti i punti dello scenario. La medesima è evidente nei riflessi del Beacon sull'aereo oppure nell'ombra nelle valli. Qualora l'opzione sia disattivata, il Vertex Shader per le animazioni rimane (e viene gestito in software dalle Direct3D se non presente nella scheda), ma le luci vengono calcolate dalla CPU, con aggravio dei tempi di calcolo.

Terzo stadio: clipping. La scena così calcolata è pronta completa e può essere renderizzata. La prima cosa intelligente da fare è eliminare in partenza oggetti che non rientrerebbero nel campo visivo, per non aggravare inutilmente i tempi di calcolo; l'operazione viene chiamata clipping. Per prima cosa vengono eliminati i vertici dei triangoli la cui faccia è rivolta dalla parte opposta alla camera (Backface culling). Questa operazione è immediata, perché i triangoli sono sempre "a singola faccia" e le coordinate espresse in senso orario. Per cui è facilissimo identificare i "triangoli rovesci". Quindi si applicano i clipping plane, una serie di piani immaginari che definiscono i limiti di visualizzazione della camera. In pratica la camera è posta al vertice di una piramide e i clipping plane sono i lati della piramide: quello che ricade dentro al volume della piramide sarà presente nella scena finale, mentre i vertici che non ci ricadono possono essere eliminati. i punti che risultano essere al di fuori del campo visivo (ossia le cui coordinate eccedono i limiti dello schermo) vengono eliminati. Qualora parte dei triangoli risultino parzialmente visibili, vengono aggiunti gli opportuni vertici e quindi creati triangoli più piccoli.
Quarto stadio: viewport. I vertici rimanenti, trasformati ed illuminati, sono riferiti ad un preciso sistema di coordinate, che non è quello della camera dell'osservatore, una uno globale e basato sulle tre coordinate del sistema cartesiano (x,y,z). In questo stadio per tutti i vertici vengono ricalcolate le coordinate in modo da riferirsi al punto in cui è posto l'osservatore. Questo viene fatto con funzioni di traslazione, rotazione e amplificazione, in modo da avere anche la corretta resa prospettica e attraverso una particolare matrice di trasformazione. Il risultato finale di questo stadio è che, ignorando la coordinata z, le coordinate x ed y corrispondono ai punti dello schermo. Quindi si è trasformata la scena da tridimensionale a bidimensionale.
Quinto stadio: setup dei triangoli A questo punto il ciclo di vita dei vertici finisce e inizia quello dei pixel. Per prima cosa vengono creati in memoria i triangoli frutto dell'unione dei vari punti. Ciascun triangolo genera quindi una serie di punti che entrano nella Pixel Pipeline.
Sesto stadio: Rasterizzazione.A ciascun punto di ogni triangolo viene assegnato un opportuno livello di colore e luminosità, dato dall'interpolazione delle proprietà dei tre vertici: il colore, il materiale e la luminosità dei vertici quindi si riflettono nel colore che avrà ogni punto di ogni triangolo. Parte della rasterizzazione è anche il multisampling, in cui viene fatta corrispondere ad ogni punto la coordinata di una o più texture da applicare a quel punto.
Settimo stadio: shading. In questo stadio per ogni punto viene assegnato un colore ad ogni punto di ogni triangolo. Il colore viene deciso in base alle proprietà calcolate dalla rasterizzazione, ossia dipende quindi dai texel (così si chiamo i pixel di una texture) che vi sono associati (e possono esserci più texture applicabili nello stesso punto), dalla luminosità e dal materiale. L'applicazione delle texture, come vedremo in seguito potrebbe non essere così immediata e banale: potrebbe essere necessario elaborare opportunamente dette texture con gli opportuni filtri (lineare, bilineare o anisotropico). Questo stadio è elaborato da apposite unità dette Pixel Shader. Introdotte dalla GeForce 3 prima e dalla Radeon 8500 poi, queste supportano, al pari del Vertex Shader, dei piccoli programmi in grado di applicare effetti speciali sulle texture, come illuminazione calcolata a livello di pixel, translucenza, opacità, e altri effetti dipendenti dal tempo (il punto della texture da utilizzare può essere un intorno del punto ideale calcolato nel multisampling, e funzione di una opportuna equazione). Da notare che, sebbene il Pixel Shader sia supportato dalle Direct3D 8.1 al pari del Vertex Shader, non è stata introdotta una sua emulazione software. Le applicazioni Pixel Shader vengono semplicemente non eseguite se l'hardware non le supporta. Al pari del suo collega, ogni GPU ingloba in genere più unità di elaborazione che lavorano in parallelo su punti diversi. In Flight Simulator 2004 viene usato il Pixel Shader per rendere gli effetti dell'acqua (che di fatto consistono in una traslazione della texture da applicare in funzione del tempo), del riflesso del sole e della luna sull'acqua, per applicare l'effetto di resolution enhancement sulle texture del terreno e per rendere gli effetti di riflessione sull'aereo. Tutte queste funzioni chiaramente non sono visibili solo qualora si usi FS2004 su una scheda video senza Pixel Shader, quindi più antica della GeForce 3 o della Radeon 8500.
Ottavo Stadio: back end. In questa ultima parte dell'eleborazione, viene composta l'immagine finale: i triangoli elaborati in principio potrebbero sovrapporsi (si pensi alle superfici trasparenti), per cui bisogna decidere quale punto alla fine mostrare a schermo. Vengono fatti una serie di test sui pixel dello schermo, utilizzando le informazioni sulla coordinata Z associata ad ogni punto. Prima viene applicato il fog, ossia viene svumato verso un certo colore i punti oltre una certa distanza. Poi viene calcolato l'alpha blending per realizzare gli effetti di trasparenza e calcolare il valore finale del pixel dello schermo. Quindi si passa agli ultimi effetti sull'immagine finita, come l'antialiasing (che è un filtro che permette di interpolare i punti dell'immagine in modo da rendere l'immagine stessa più sfumata e quindi meno scalettata). Le funzioni della nebbia e dell'antialiasing, in FS vengono applicate in quest'ultimo stadio.

A questo punto il fotogramma è completo e può essere inviato al frame buffer, ossia quella parte di memoria video che contiene l'immagine finale e che componente della scheda provvederà ad inviare allo schermo alla frequenza di refresh stabilita.