Recenzia performance kariet: Radeon HD 5850 a GeForce GTX 470

Kvalita anizotropných filtrov pod lupou

Na nasledujúcej strane sa budem podrobne venovať kvalite anizotropného filtra (AF) nových Direct3D 11 kompatibilných čipov – GF100, RV870, ktoré zastupujú všetky čipy zo svojej generácie (GF10x a RV8x0). AMD sa vyjadrila pri predstavení Radeon HD 500 série, že uhlová závislosť AF bola odstránená a zmenil sa aj LOD management. nVidia sa na rozdiel od toho pri predstavení svojich Direct3D 11 kariet vôbec nezmienila o ich anizotropnom filtri. Z tohto dôvodu som tiež porovnal AF nových čipov s AF predchodcov – G200b, RV770. Na zistenie kvality AF som použil dva programy na testovanie AF a jednu hru – Crysis Warhead.

Ak sa práve pýtate, prečo som sa zameral práve na kontrolu kvalitu anizotropného filtra, tak vedzte, že to má viacero dôvodov. Zoberme bežný prípad, pasujúci v 95% - slušne naprogramovanú hru, dve grafické karty s GPUs od rôznych výrobcov, ktoré renderujú obraz, pričom hra ani ovládače grafických kariet nemajú žiadne chyby, spôsobujúce chybné zobrazenie, LOD nastavené na 0 a zapnutý nejaký multisampling anti-aliasing (MSAA). Tak potom predstavuje práve anizotropný filter najväčší rozdiel v kvalite obrazu.
 

Druhý dôvod je, že v minulosti obetovali obe spoločnosti (ATi, nVidia) kvalitu anizotropného filtra pre vyššie FPS. Bola to však ATi, ktorá zaviedla ako prvá „optimalizácie“ AF, spôsobujúce jeho horšiu kvalitu. Anizotropný filter ponúka vždy miesto na optimalizácie, zhoršujúce kvalitu obrazu. Zhoršenie kvality filtrovania textúr spôsobené optimalizáciami je pritom premenlivé, záleží od hry, konkrétnejšie od použitých textúr, do akej miery ich možno spozorovať. Ďalej nemusí byť dobre vidieť optimalizácie kvôli monitoru alebo preto, že nie každý je rovnako citlivý na kvalitu textúr, filtrovaných AF. Dôvodov to môže mať viacero, uvediem len jeden – lebo dotyčný ešte nikdy nevidel kvalitnejší AF. Do tretice, nie každý vie, že to čo mu vadí, spôsobujú práve optimalizácie. Po čase si to daná osoba preto prestane tak výrazne všímať. Vyhladzovanie hrán (MSAA) taký priestor neponúka a šetrenie, rovnako ako na iných miestach, by bolo príliš viditeľné.
 

výsek nastavení z Catalyst ovládačov

Nasledujúce testy kvality AF prebehli na Radeon a GeForce čipoch vždy s dvoma nastaveniami kvality AF. Catalyst ovládač ponúka možnosť meniť kvalitu AF len pomocou dvoch nastavení – A.I. a kvality mip-maps. Neponúka širšie možnosti vypnúť ďalšie optimalizácie, spôsobujúce horšiu kvalitu obraz ani vypnúť všetky naraz ako GeForce ovládače. Keďže bola kvalita mip-maps nastavená na najvyššiu úroveň, bola jediná možnosť ako ešte trochu zlepšiť kvalitu AF, vypnúť A.I. Nastavenie A.I. Off (Disable) vypne niektoré optimalizácie spôsobujúce horšiu kvalitu obrazu ale zároveň aj optimalizácie spôsobujúce len čisto vyšší výkon, bez vplyvu na kvalitu obrazu. Druhé, menej kvalitné nastavenie je A.I. Standard, lebo sú zapnuté mnohé optimalizácie zhoršujúce kvalitu AF. A.I. Standard predstavuje default nastavenie ovládačov a zároveň najčastejšie používané nastavenie.
 

výsek nastavení z GeForce ovládačov

Dve nastavenia kvality AF s ktorými boli testované GeForce čipy sú – Quality a High-Quality (HQ). Nastavenie kvality AF - Quality (kvalita) v ovládači GeForce predstavuje najčastejšie používané nastavenie kvality so zapnutými niektorými optimalizáciami. Druhé nastavenie High-Quality vypne všetky optimalizácie spôsobujúce horšiu kvalitu AF. Ďalšie nastavenia Catalyst a GeForce ovládačov boli zhodné s nastaveniami, ktoré používam pre testy výkonu grafických kariet.
 

vľavo RV870 a vpravo RV770

Prejdem teraz k samotným testom. Najprv sa pozrieme spoločne na výsledky z aplikácie D3D AF-Tester verzie 1.3a, ktorá vypovie niektoré fakty o danom AF. Uhlovú závislosť a základový filter na základe zafarbených mip-maps. Zmena nastavenie A.I. v Catalyst ovládačoch nespôsobí žiadnu zmenu výsledku s RV870 alebo RV770, nakoľko nemení vyššie zmienené testované kritéria. Jasne vidieť, že „AF kvetina“ RV870 je kruhová, zatiaľ čo v prípade RV770 je to skôr štvorec s rohmi v 45° uhloch. Taktiež vidieť, že prvá, do červena zafarbená mip-map úroveň je užšia na RV870 ako na RV770. Tieto skutočnosti znamenajú dve veci. Jednak, že AF RV870 je ako AMD sľúbila uhlovo nezávislé. Uhlovo nezávislé AF pozostáva z kruhov. V uhloch v ktorých je aplikovaná uhlová závislosť je tento kruh porušený výbežkom. AF RV770 je teda uhlovo závislé. Hrúbka zafarbených mip-maps zase hovorí, aký základový filter AF je použitý. Podľa testera by AF RV870 mal mať trilineárny základový filter a AF RV770, horší brilineárny. Takto sa označuje filter, ktorý je kvalitou medzi kvalitnejším trilineárnym a horším bilineárnym filtrom. Osobne si myslím, čo aj ďalej dokážem, že ovládače RV870 majú implementovanú jednu fintu, ktorá bola ak sa použije karta s čipom RV7x0 odobraná – detekcia zafarbenia mip-maps. Ak sú zafarbené mip-maps značí to, že sa kontroluje kvalita AF, základového filtra. A práve vtedy filtrovali Radeon karty lepšie - trilineárne. S Catalystmi 9.6 WQHL to odpadlo. V prípade RV8x0 kariet ale predpokladám, že to ešte stále platí.
 

GF100 s nastavením Quality vľavo a High-Quality vpravo


G200(b) s nastavením Quality vľavo a High-Quality vpravo

Výsledky GF100 a G200b prejdem trochu rýchlejšie, nakoľko som vysvetlil čo znamenajú jednotlivé obrázky. V prípade nVidia GPUs je vidieť rozdiel medzi nastavením HQ a Q v tomto testeri, nakoľko sú v prípade nastavenia „Quality“ zapnuté trilineárne optimalizácie, ktoré sa dotknú základového filtra. S „High-Quality“ (HQ) sú však všetky optimalizácie vypnuté a AF má trilineárny základový filter. Ďalej vidieť, že anizotropné filtre GF100, G200b sú v testovaných kritériách zhodné a veľmi jemne závislé na uhloch. Znamená to, že ak je určitá textúra, ktorá by sa mala filtrovať anizotropne v danom uhle, kde je optimalizácia, tak sa nefiltruje 16xAF ale len napr. „15,8xAF“. V praxi ale väčšinou nie sú v daných uhloch textúry a úroveň AF nehovorí nič o samotnej kvalite tohto 16x anizotropného filtra. Uhlovo nezávislé AF, ktoré šetrí množstvo samplov a má teda veľmi zlú kvalitu môže byť horšie ako aj silno uhlovo závislé AF, ktoré ale nešetrí sample (vzorky) pri filtrovaní a aplikuje len napr. 4x-8x AF. D3D AF-Tester je z mnou použitých aplikácií na testovanie AF, najstaršia. Hovorí len to, či je AF daného čipu uhlovo závislé alebo nie a ukazuje základový filter pomocou zafarbených mip-maps.
 

Ďalší AF-Tester je oveľa mladší a málokto ho pozná. 3DCenter Filter Tester dáva filtrovať texturovacím jednotkám (TMUs) a/alebo aritmetickým jednotkám (ALUs) jednu veľmi zákernú textúru. V možnostiach sa dajú nastaviť ešte určite parametre – pohyb textúry, LOD, úroveň AF, kvalita implementácie pomocou ALUs a zobrazenie (výsledok renderovanie len TMUs, ALUs alebo obidvoje výsledky). Tento tester teda umožňuje porovnať výsledky filtrovania textúry anizotropným filtrom vypočítavaným TMUs a ALUs (Poznámka: Áno, AF je možné počítať aj pomocou ALUs, je to však výrazne pomalšie ako pomocou TMUs.). Zjednodušene povedané – porovnať kvalitu AF, ktorú ponúka daný čip s tým ako by to malo vyzerať. Vďaka tomu, že je použitá zákerná textúra, sa dajú ľahšie spozorovať rôzne optimalizácie, ktoré sa prejavia na výslednej kvalite. 3DCenter Filter Tester je teda oveľa bližšie realite (keby nebolo tej zákernej textúry, tak by to bol prípad ako z hry) ako D3D AF-Tester. Porovnajme si teraz jednotlivé výsledky, ktoré vznikli s nasledujúcim nastavením v aplikácii – Display Mode: Split, ALU Mipmap Interpolation, ALU Filtering Mode: Perfect, 16xAF, LOD Bias 0.0, bez otáčania alebo zmeny pomeru textúry.
 

vľavo GF100 a vpravo G200(b)

Zmena nastavenie A.I. v Catalyst ovládačoch nespôsobí žiadnu zmenu výsledku ako ani zmena kvality AF v control panely nVidia ovládačov. Dôvod je ten, že túto Direct3D 10 aplikáciu nepoznajú ovládače a neaplikujú preto žiadne optimalizácie. Výsledok TMU renderingu jednotlivých kariet sa preto dá považovať za najlepší možný. Okamžite vidieť, že výsledok RV870 a RV770 sa odlišuje. Výsledok RV770 sa zdá byť dosť identický s referenčným. Sú tu však malé ale podstatné rozdiely. Všimnite si, že výsledok dosiahnutý TMUs má viaceré ostré horizontálne „vlnky“ a „pásy“. Tie v referenčnom obrázku chýbajú. Všetky tieto ostrejšie časti vyzerajú na obrázkoch dobre, v pohybe sú to však miesta, ktoré sa výraznejšie mihajú – teda spôsobujú shimmering textúry. Vznikajú, ak sa šetrí samplami (vzorkami) pri samplingu. Toto šetrenie spôsobujú rôzne optimalizácie. Na výsledku RV870 je zase výrazné niečo iné – ostré prechody medzi mip-maps. Na obrázku ich vidieť ako „ukončenie“ textúry a „začiatok“ ďalšej ale oveľa menej ostrej textúry. Tento artefakt sa nazýva „AF-Banding“ a je veľmi nepríjemný v pohybe, nakoľko posúva hráč viaceré viditeľné pásy pred sebou. Dôvodom je použitie menej kvalitného základového filtra. Namiesto trilineárneho, ktorý by mal RV870 využívať vždy, len bilineárneho. Niečo také neexistuje v realite, rovnako ako „AF-shimmering“. (Poznámka: určité druhy shimmeringu, teda mihania existujú v realite). Aj pri zanedbaní najvýraznejšieho rozdielu - AF-bandingu je vidieť rozdiely vo výsledkoch medzi RV870 a RV770. RV870 má „ostré“ vlnky aj vo väčšej vzdialenosti, zatiaľ čo u RV770 sa tam nevyskytujú. Spôsobuje ich pravdepodobne upravený LOD management v spojení s optimalizáciami.

Porovnanie výsledkov GF100, G200 medzi sebou zase ukázalo, že tu nie sú žiadne rozdiely. Oproti referenčnému výsledku sú viditeľné naozaj len malé rozdiely - miestami minimálne väčšia ostrosť a trochu horšia presnosť, ktorá ale nie je pre subjektívnu kvalitu podstatná. Ani s HQ nie je teda AF na GeForce kartách dokonalý, oproti AF Radeon kariet je však oveľa lepší. Výsledky GF100, G200 sú oveľa bližšie referenčnému výsledku, nemajú také výrazne „ostrejšie“ časti, spôsobujúce shimmering textúr v pohybe a oproti RV870 nemajú AF-banding.
 

RV870 s nastavením A.I.Standard vľavo a A.I.Off vpravo
 

RV770 s nastavením A.I.Standard vľavo a A.I.Off vpravo
 

Kvalitu anizotropného filtra jednotlivých čipov sme komplexne zanalyzovali pomocou dvoch AF-Testerov. Ostáva teda kontrola kvality AF v reálnych podmienkach – hrách. Pre tento účel som zvolil známy Crysis Warhead. Je to hra v ktorej sa často porovnáva výkon grafických kariet a ovládače sú výrazne zoptimalizované pre ňu. Okrem toho má hra kvalitné textúry a aj dnes sa jedná o jednu z najnáročnejších hier na trhu. Obrázky vznikli po druhom načítaní vlastného save-game pomocou aplikácie FRAPs v .png formáte. Príslušný save-game dávam voľne k stiahnutiu, aby si záujemcovia mohli overiť moje obrázky. Nastavenia v hre boli nasledovné. Maximálne detaily (Enthusiast), Direct3D 10, 4xMSAA, rozlíšenie 1920x1200 a 16xAF vynútené cez ovládač. Podstatné je si ešte uvedomiť, že zeleň sa pohybuje, rovnako ako oheň a iné objekty v obrázku. To ale nie je pre porovnanie kvality AF podstatné. Podstatné sú len textúry cesty a štrku pri nej, ktorých pozícia sa nemení.

Začnem znovu čipmi od AMD/ATi. V prípade RV870 nie sú na obrázkoch očividné zmeny, ak sa zmení A.I. zo Standard na Off alebo opačne. Malý rozdiel vidieť až v pohybe a potvrdzuje to aj rozdiel v textúrach medzi týmito obrázkami vyhotovený Photoshopom. V pohybe spôsobuje A.I. Standard trochu väčší shimmering ako A.I. Off. Ďalší výrazný nedostatok si nemusel každý všimnúť, lebo je jasne viditeľný až v pohybe alebo ak si znovu porovnáme výsledky RV870 a RV770. V obrázkoch RV870 je ako v 3DCenter Filter Testery prítomný AF-Banding. Pri porovnaní obrázkov ho vidieť len ako „tmavšie pásy“, ktorý začne skôr ako by mal a ostré rozhranie dvoch mip-maps. Pre lepšie zviditeľnenie na obrázku som použil diff funkciu vo Photoshope, ktorá zobrazí len jednotlivé rozdiely. Dôvod AF-Bandingu v Crysis Warhead je rovnaký ako vo Filter Testeri, RV870 používa aj v tomto prípade len menej kvalitný bilineárny základový filter a nie trilineárny ako by mal. Najviditeľnejší je AF-Banding v pohybe, pretože hráč vtedy posúva pred sebou viaceré neprirodzené pásy s ostrými rozhraniami. Ďalšie skutočnosť, ktorá tomu len pridáva je, že jedno ostré rozhranie je presne pod crosshairom, kam sa väčšina hráčov sústredí. Výsledky RV770 AF-Banding nevykazujú a potvrdilo to aj porovnanie vo Photoshope.

Výsledky RV770 s A.I.Off a A.I.Standard sa taktiež rozlišujú v pohybe. S vypnutým A.I. je úroveň mihania textúr trošku menšia. Na obrázkoch však vidieť aj jeden iný viditeľný rozdiel, ktorý s RV870 nenastal. V úplne ľavej a pravej časti sú textúry pri zapnutom A.I.Standard na RV770 ostrejšie, ako keby filtrované. V pohybe sa ale aj tie výrazne mihajú. Presný dôvod nepoznám. Pravdepodobne je to spôsobené iným LOD managementom. S A.I. Off tento „Bug“ už nenastáva a výsledok je taký ako by mal byť. Pri porovnaní úrovne mihania textúr v pohybe je RV870 s A.I.Standard na tom zhruba tak ako RV770 s A.I.Off, teda trochu lepšie. Znovu platí skutočnosť, že to čo vyzerá na obrázku ostro sa v pohybe mihá – spôsobuje shimmering. Môže to byť ale spôsobené práve použitím bilineárneho základového filtra, ktorý je miestami menej „ostrý“. Na druhú stranu ale spôsobí jasne viditeľný a podľa môjho názoru tiež veľmi nepríjemný AF-Banding. Ako by vyzerali výsledky RV870 s trilineárnym základovým filtrom môžeme len odhadovať.
 

GF100 s nastavením Quality vľavo a High-Quality vpravo
 

G200(b) s nastavením Quality vľavo a High-Quality vpravo
 

Prejdem k výsledkom nVidia čipov. Tie predviedli už v 3DCenter Filter Testery vynikajúce výsledky a pokračujú v nich aj v Crysis Warheade. Pri porovnaní jednotlivých obrázkov GF100, G200 znovu nevidieť žiadne rozdiely a potvrdzuje to aj Photoshop. Anizotropné filtre GF100 a G200 sú teda identické. Rozdiely medzi Quality a High-Quality nie sú taktiež viditeľné čisto z obrázkov. V pohybe ale sú a High-Quality spôsobuje oproti Quality ešte trochu menší shimmering. Ak porovnám úroveň shimmeringu s nastavením Quality na GF100/G200 v pohybe s AF RV770, tak je najbližšie nastavenie A.I.Off. Quality je ale o kúsoček lepšie. V porovnaní s RV870 je po stránke shimmeringu A.I. Standard len trochu horšie ako Quality a A.I.Off je mierne pod High-Quality. V pohybe je vidieť s každým testovaným čipom a nastavením určité mihanie textúr pri použití AF. Je to spôsobené „zákernou“ textúrou cesty a štrku, ktorá by sa mihala aj s ideálnym AF. Menej ako napr. s A.I.Off alebo Qauality ale mihala. Oproti RV870 nemá GF100/G200(b) takisto ako RV770, nepríjemný AF-Banding.

Všetky testy kvality AF som prešiel a ostáva už len zhrnutie tejto kapitoly. Anizotropný filter RV870 sa oproti RV770 zmenil. Má nový, uhlovo nezávislý algoritmus. Ten však neprinesie v praxi oproti uhlovo závislému AF RV770 nejaké väčšie rozdiely, lebo v daných uhloch väčšinou nie sú textúry, ktoré by sa mali filtrovať anizotropne. Práve preto tvrdí AMD, že neprináša voči uhlovo závislému AF stratu výkonu. Lepšie je, že AF RV870 spôsobuje menej shimmeringu ako AF RV770. Pravdepodobne je to ale spôsobené použitím menej kvalitného bilineárneho filtra. On je dôvod, prečo spôsobuje AF RV870 tzv. AF-Banding. V pohybe sa prejavuje ako posúvajúce sa pásy. To nie je prehliadnuteľné. V niečom je teda AF RV870 lepší ako AF RV770 a v niečom horší. Summa summarum by sa dalo povedať, že kvalita AF sa nezmenila. Môj osobný názor je ale taký, že trochu menší shimmering nevykompenzuje AF-Banding, a preto je AF RV870 trochu horší ako AF RV770. Každý si ale môže spraviť vlastný názor.
 

vľavo rozdiel medzi GF100 a G200(b) s HQ a vpravo medzi GF100 s Q a RV870 s A.I.Standard
 

vľavo rozdiel medzi RV870 a RV770 s A.I.Standard a vpravo medzi RV870 a RV770 s A.I.Off
 

Porovnanie AF GF100 a AF predchodcu – G200(b) dopadlo veľmi jednoznačne. Ich anizotropné filtre sú na vlas identické. U nVidie sa od doby G80 v tejto oblasti teda nič nezmenilo. To je dôvod, prečo sa nVidia nevyjadrila o AF pri predstavení GF100 čipu. Po stránke kvality sú ich AF naďalej lepšie ako AF Radeon kariet, lebo spôsobujú menší shimmering a celkový výsledok je homogénnejší. Na rozdiel od RV870 tiež nespôsobujú nepríjemný AF-banding. Oproti AF RV870 zaostáva AF GF100 po stránke kvality jedine v uhlovej závislosti, ktorá je však taká minimálna, že sa dá zanedbať, lebo vo väčšine prípadoch nie sú rozdiely ani medzi silnejšie uhlovo závislým AF RV770 a uhlovo nezávislým AF RV870.

Väčšinu zákazníkov zaujíma výkon grafickej karty a ešte hlučnosť, OC potenciál, prípadne spotreba. Kvalita anizotropného filtra zaujíma, žiaľ, málokoho. Mala by ale každého, komu nie je jedno výsledná kvalita obrazu. Väčšinou teda enthusiastov. Určite to súvisí aj s tým, že máloktorá internetová stránka sa zaoberá touto komplexnou témou. Anizotropný filter nie je triviálny, rovnako vysvetlenie fungovania. Vývojom - od point samplingu po anisotropic filtering by sa dal v pohode napísať rozsiahly článok. Takisto testovanie nie je jednoduché – nájdenie vhodnej scény a hry kde vidieť rozdiely. Tým to však nekončí. Samotné vysvetlenie kvality AF tiež vyžaduje technické znalosti z tejto oblasti a množstvo času. Len keď bude o problematike AF vedieť viac ľudí a žiadať lepšie AF ako ponúkajú momentálne Radeon GPUs, tak potom sa možno aj niečo zmení. Lebo momentálne zaostáva v tejto oblasti výrazne AMD. Dôvodom je výkon. Rozdiely voči konkurenčným kartám nie sú väčšinou veľké, a preto príde plus ~10 až 15% výkonu len vďaka optimalizáciám vhod. Vďaka nim je tiež prepad výkonu 16xAF u Radeon HD 5800 kariet malý, len okolo 6%. Bez optimalizácií by bol určite väčší. To všetko napriek 80 texturovacím jednotkám v RV870, čo je viac ako má GF100. Mohlo by sa preto zdať, že RV870 optimalizácie nepotrebuje a aj tak by bol výkonnejší. Nie je to ale pravda. Ako ukázali merania v D3D Rightmarku, RV870 je veľmi neefektívny s AF. Tieto merania zverejním v nasledujúcom technologickom článku venovanom architektúram nových Direct3D 11 čipov. Texelfillrate RV870 so zapnutým 16x trilineárnom AF je v pomere k teoretickej texelfillrate najhoršia spomedzi štyroch testovaných GPUs – G200, GF100, RV770 a RV870. Číslom vyjadrené, len ~0,38 oproti GF100, ktorý má skoro 0,6(!). RV770 a G200(b) sú po stránke efektivity na tom zhruba rovnako. Inak povedané, v praxi (so 16xAF) má GF100 o 50% väčšiu texelfillrate na TMUs a takt ako RV870. Príčina je v jednom úzkom hrdle architektúry RV870. Viac ale na tomto mieste neprezradím. Z toho je jasné, prečo nemá RV870 kvalitnejší AF a základový filter (namiesto trilineárneho používa bilineárny) napriek 80 TMUs.
 

S default nastavením sú na GF100 a RV870 zapnuté určité negatívne optimalizácie. Nechajme v tomto prípade bokom, že Quality je lepšie ako A.I.Standard. Podstatné je tiež, že nVidia ponúka možnosť zapnúť ešte kvalitnejší AF - možnosť jednotlivo vypnúť viaceré optimalizácie spôsobujúce horšiu kvalitu a takisto HQ – teda úroveň kvality, kedy sú vypnuté všetky optimalizácie. HQ ponúka preto momentálne najlepšiu kvalitu AF. To je spolu so štandardne lepšou kvalitou AF (Q) veľké plus pre nVidiu. Dalo by sa to však ešte lepšie, alebo ponúknuť 32xAF. U nVidie sa ale asi tak skoro nedočkáme ďalšieho vylepšenia AF, pričom vidím tri dôvody prečo. AF je pre nich uzatvorená téma, od G80 sa preto nič nemenilo a nie je ani dôvod niečo meniť, lebo AMD nevyvíja v tejto oblasti tlak. Posledný dôvod súvisí zase s výkonom, ktorý by stálo len malé vylepšenie AF. Potrebný výkon by bol neproporcionálne vyšší ako dosiahnuté vylepšenie. A to už teraz môže prepnutie kvality AF z Q na HQ stáť v starších hrách až 20% výkonu. V modernejších hrách to je menej. Pre všetkých by teda bolo najlepšie, keby v ďalšom Direct3D 12 štandardizoval Microsoft sampling a zaviedol ďalšie povinné parametre pre anizotropný filter, ktoré by museli čipy dodržať. Nič iné podľa mňa nezmení momentálnu situáciu s anizotropným filtrom.