3DMark 2005

autor myxxx323, Novembro 09 2009. Publicado em Sombreadores DirectX 9.0b-9.0с versão 2.0b

Ano de fabrico: 2006
Desenvolvedor: Futuremark Corporation
Plataforma: PC
Requisitos mínimos do sistema:
Sistema operacional: Microsoft Windows Sistema operacional 2000 ou XP
Processador: processador compatível com x86 com suporte MMX, 2000 MHz
RAM: (512 MB recomendado)
DIRECT X: DirectX9.0c ou posterior (obrigatório)

Modelos DirectX9 e shader

À medida que a funcionalidade das GPUs evolui, os desenvolvedores devem aproveitar seus recursos adicionais para melhorar a qualidade das cenas e obter desempenho adicional.
A Microsoft, criadora do DirectX, demonstrou flexibilidade notável ao permitir que dois desenvolvedores líderes de GPU gerassem um conjunto de modelos de shader que aproveitam a funcionalidade avançada da GPU além dos requisitos básicos do modelo de shader 2.0. A indústria precisava de uma abordagem padronizada para estender os recursos básicos do DirectX 9, e o resultado foi Shader Model 2.0a, Shader Model 2.0b e Shader Model 3.0.

Por exemplo, em Far Cry Ao calcular a iluminação usando pixel shaders modelo 3.0, no máximo 4 fontes de luz são calculadas em uma passagem, ao usar o modelo 2.0b - para 3, ao usar o modelo 2.0 - para uma fonte de luz.

Assim, com a transição dos jogos para uma nova forma de desenvolvimento, surgiu uma nova abordagem de avaliação de desempenho: em vez de testar placas de vídeo em condições absolutamente idênticas, é necessário utilizar para cada acelerador específico o modelo de shader que mais aproveita seu capacidades. Foi exatamente assim que os desenvolvedores da Futuremark viram o 3Mark05.

3DMark05: etapas da jornada

A Futuremark, chamando seus conjuntos de testes de "The Gamer's Benchmark", adiciona constantemente suporte para novas tecnologias e desenvolve a funcionalidade de seu 3DMark. Introduzidos pela primeira vez no final de 1998, os conjuntos de benchmark da Futuremark tornaram-se a ferramenta ideal para medir o desempenho da placa gráfica e o equilíbrio de energia para pessoas que vão desde entusiastas a executivos corporativos.

3DMark99 - concentrado na velocidade de texturização e processamento de polígonos.
3DMark2000 - recebeu suporte para transformação de polígonos por hardware e, ao mesmo tempo, a complexidade das cenas aumentou.
3DMark2001 - recebeu suporte para vértices e pixel shaders 1.1 e aumentou adicionalmente a complexidade da cena - agora já havia dezenas de milhares de polígonos nas cenas.
3DMark03 - shaders usados ​​1.xe 2.0. Apenas um dos testes do jogo não utilizou pixel shaders. Todos os outros testes de jogos fizeram uso extensivo de shaders de pixel e vértice DirectX8, e o teste de jogo final e mais complexo fez uso extensivo de shaders Modelo 2.0. A complexidade das cenas aumentou para centenas de milhares de polígonos.
3DMark05 - elevou ainda mais o nível de tecnologia. O pacote utiliza apenas shaders do modelo 2.0 e superior, e todos os shaders podem ser executados em qualquer um dos perfis correspondentes aos modelos 2.0, 2.0a, 2.0b e 3.0. A complexidade das cenas aumentou: agora, em média, pode haver mais de um milhão de polígonos num quadro.

A principal diferença entre o 3DMark05 e as versões anteriores do pacote de teste é o uso de pelo menos shaders do modelo 2.0 e a seleção do caminho de renderização ideal para cada placa de vídeo.
Patric Ojala da Futuremark dá este exemplo: “Usamos vários shaders especialmente preparados, por exemplo, no primeiro teste do jogo, um shader correspondente ao modelo 3.0 usa controle de execução dinâmico e para de funcionar quando detecta que a superfície não está iluminada. Outro exemplo seria um shader que usa texturas de estêncil de profundidade.”

Motor gráfico: usando shaders

As encarnações anteriores do 3DMark da Futuremark usavam versões modificadas do MAX-FX, mas para o 3DMark05 a empresa desenvolveu um novo mecanismo gráfico. Todos os shaders usados ​​nas cenas são escritos em uma linguagem de alto nível - HLSL. Esses shaders não são executados diretamente antes de serem enviados ao acelerador, eles precisam ser compilados, ou seja, traduzidos para uma linguagem mais compreensível para a GPU e seu driver. DirectX oferece vários perfis - várias configurações ideais para o compilador de shader, projetado para GPUs com diferentes funcionalidades. Então, digamos, para ATI RADEON 9700 PRO o perfil PS 2_0/ VS 2_0 será usado, e para NVIDIA GeForce 6800 Ultra – PS 3_0/VS 3_0. A última geração de GPUs excede os requisitos básicos do DirectX 9.0 e, embora suportem perfis mais baixos, por exemplo, PS 2_0/VS 2_0, elas usarão como padrão o perfil que faz maior uso de sua funcionalidade. O mesmo se aplica aos processadores gráficos que aparecerão após o lançamento do 3DMark05 - para eles, com base na lista de capacidades obrigatórias fornecidas pelos drivers, serão selecionados os perfis que utilizam mais plenamente sua funcionalidade.

Assim, na nova reencarnação do pacote de testes, a Futuremark se afasta ainda mais da ideia de comparar placas de vídeo em condições absolutamente idênticas. Isso não é surpreendente: todas as placas de vídeo modernas suportam os requisitos básicos do DirectX 9.0, mas acima dos requisitos básicos, todas possuem funcionalidades completamente diferentes. É incorreto colocá-las nas mesmas condições: essas mesmas condições em casos diferentes serão ótimas para algumas placas de vídeo e abaixo do ideal para outras. Em troca de tudo isso, o 3DMark05, ao selecionar os perfis mais funcionais para cada GPU, aproveita ao máximo as capacidades de cada placa de vídeo.
Porém, para quem ainda está interessado em comparar o desempenho de placas de vídeo nas mesmas condições, foi introduzida a possibilidade de selecionar um perfil para compilar shaders HLSL. Desta forma você pode forçar a placa de vídeo a funcionar com um perfil menos funcional, digamos, NVIDIA GeForce 6800 Ultra não usará shaders 3.0, mas a velocidade de renderização das cenas irá, é claro, mudar.

Mecanismo gráfico: uso da CPU

Em testes de jogos, o novo pacote da Futuremark não utiliza recursos da CPU para outra coisa senão preparar dados para construir o cenário. Ou seja, não há cálculos relacionados à física do jogo, à lógica ou à IA – “inteligência artificial” – nos testes do jogo.
A maioria dos testes integrados em jogos normais são organizados da mesma maneira: durante a reprodução de uma demonstração, gravando e medindo a velocidade, calculando IA, física, etc. desliga. Por exemplo, no Doom3 o teste integrado é organizado desta forma.
Assim, em termos de utilização de recursos de CPU em testes de jogos, os desenvolvedores do Futuremark tentaram se aproximar de testes de jogos reais, e esta abordagem parece bastante justificada, porque o 3DMark é, antes de tudo, um teste de placas de vídeo, não central processadores.

Motor gráfico: sistema de cálculo de sombra

Sombras dinâmicas apareceram nas cenas do 3DMark 2001 - o mecanismo usava mapas de sombras projetados. No 3DMark03, no segundo e terceiro testes, o motor gráfico mudou para uma forma diferente de construir sombras, a mesma usada pelo “grande e terrível” Doom3 - calculando volumes que delimitam áreas sombreadas e usando um buffer de estêncil para determinar a iluminação de objetos.
No 3DMark05, os desenvolvedores abandonaram esse método de cálculo de sombras - embora forneça excelente qualidade, ele ainda tem uma série de desvantagens. Para cada objeto que deve projetar uma sombra, é necessário criar seu próprio “volume de sombra” - um modelo poligonal, cujas bordas na lateral da fonte de luz são as bordas do próprio objeto, e nas laterais - a silhueta de o objeto se estendia da fonte de luz ao infinito. Encontrar as arestas que formam a silhueta de um objeto e estão sujeitas à extrusão é uma tarefa difícil realizada pelo processador central, e quanto mais complexo o objeto, ou seja, quanto mais polígonos incluídos no cálculo, mais tempo leva para criar o “volume de sombra”.
O uso adicional desses “volumes de sombra” invisíveis envolve a necessidade de renderizá-los no buffer de modelo, o que aumenta significativamente a carga na GPU em termos de velocidade de sombreamento. E quanto mais objetos projetam sombras, maior será a carga na GPU.

O método de cálculo de sombra usado no 3DMark05 está livre dessas deficiências. 3DMark05 usa um tipo de mapa de sombras chamado “mapas de sombras em perspectiva” (PSM) para calcular sombras dinâmicas, com suas próprias modificações para minimizar a manifestação de suas deficiências características.
Ao calcular sombras dinâmicas usando um mapa de sombras, os estágios de construção de uma cena são mais ou menos assim:

-Primeiro, a cena é construída a partir da posição da fonte de luz. Não são utilizadas texturas, pixel shaders, etc. durante a construção, pois nesta fase tudo o que é necessário é o valor Z, ou seja, a distância dos pixels da cena à fonte de luz. Este valor para cada pixel é gravado no buffer de saída em formato de ponto flutuante. Quanto maior o tamanho deste buffer e mais preciso o formato de apresentação dos dados, melhor será o resultado.
-Após calcular o mapa de sombras, a cena é construída da maneira usual, a partir da posição da câmera. Para determinar a iluminação dos pixels, são utilizados pixel shaders: no shader, para cada pixel da cena, o pixel do mapa de sombra correspondente é determinado e a distância do pixel da cena à fonte de luz é calculada. Se esta distância for igual ou menor que o valor armazenado no mapa de sombras, o pixel será iluminado. Se essa distância for maior, então é óbvio que ao calcular o mapa de sombras, algum elemento da cena ficou mais próximo da fonte de luz e o pixel ficou sombreado.

A principal vantagem de calcular sombras usando PSM é que o cálculo de sombras dinâmicas ao usar mapas de sombras não requer cálculos adicionais do processador central, e o número de cálculos não depende da complexidade da cena - “sombra” invisível, mas que consome recursos. volumes” não são adicionados.
Os processadores de pixel modernos suportam shaders longos e complexos, o que permite determinar o sombreamento de cada pixel em relação a diversas fontes de luz em uma passagem, ou seja, reduzir ainda mais a quantidade de trabalho.
Além disso, esse método usa processadores de pixel, e seu desempenho tem crescido na taxa mais rápida ultimamente – mais rápido do que o poder dos processadores de vértice, o desempenho CPU, velocidade do barramento de memória ou taxa de amostragem de textura.

Este método, é claro, tem seus próprios pontos fracos, mas os desenvolvedores da Futuremark garantem que sua modificação do PSM é adequada para uma ampla variedade de cenas e fontes de luz.
Os mapas de sombra para fontes de luz direcionais são calculados em uma resolução de 2048x2048; os mapas de sombra são salvos em ponto flutuante, formato R32F ou D24X8. Para essas luzes, o mecanismo gráfico calcula dois mapas de sombras: um para objetos mais próximos da câmera e outro para o resto da cena. Isso alcança maior precisão no cálculo de sombras nos locais onde elas são mais perceptíveis, ou seja, perto da câmera, enquanto mantém a capacidade de calcular sombras para o resto da cena. No entanto, mesmo isso às vezes não é suficiente para evitar completamente o aparecimento de artefatos - no terceiro teste de jogo 3DMark05, artefatos de sombreamento são perceptíveis em seções de rochas localizadas quase paralelas aos raios solares.

Observe a sombra projetada pelos cabos perto da "barbatana" do navio voador e o fragmento da parede do cânion.

Os desenvolvedores observam que não se trata de erros de driver ou problemas de hardware, é uma manifestação de um dos pontos fracos do método do mapa de sombras.
Para fontes de luz não direcionais, o motor gráfico 3DMark05 constrói seis mapas de sombras no formato R32F de 512x512, colocando a fonte de luz no centro de um cubo imaginário, construindo mapas de sombras para as 6 faces deste cubo e reduzindo assim este caso para o caso de uma fonte de luz direcional.

A amostragem de valores do mapa de sombras em um pixel shader na presença de suporte de hardware para Percentage Closest Filtering (PCF) e Depth Stencil Textures (DST) é realizada usando PCF, ou seja, com filtragem bilinear comum, e se não há suporte de hardware para PCF, a filtragem é realizada diretamente no shader, para isso, os 4 valores mais próximos do ponto de referência são selecionados no mapa de sombras e calculados a média;
Essas abordagens fornecem resultados ligeiramente diferentes, tanto em termos de desempenho quanto de qualidade de imagem, mas os desenvolvedores da Futuremark acreditam que DST e PCF, ou seja, suporte de hardware e filtragem de hardware de mapas de sombras, devem ser usados ​​sempre que possível, já que os jogos mais importantes os desenvolvedores já estão usando esses recursos de GPU e a demanda por esses recursos só aumentará no futuro.

Então, detalhes suficientes. Passemos finalmente à descrição dos testes.

Teste de jogo 1: Retorno ao Proxycon:

O primeiro teste do jogo definitivamente pertence à seção de jogos de ação: piratas espaciais atacam novamente a nave de carga Proxycon.

Refletindo as cenas dos jogos de tiro clássicos, Game Test 1: Return to Proxycon combina salas bastante grandes com corredores estreitos e um grande número de soldados de infantaria lutando simultaneamente, aproximando a situação do jogo dos jogos multijogador.

A maioria das superfícies no Game Test 1: Return to Proxycon usa materiais “metálicos” definidos por shader com cálculos de iluminação baseados no modelo Blinn-Phong. Os expoentes necessários para o cálculo não são calculados matematicamente nos shaders; em vez disso, são utilizadas amostras de uma tabela pré-calculada;
No total, a cena possui 8 fontes de luz que projetam sombras: 2 fontes de luz direcionais, para as quais são calculados mapas de sombras de 2048x2048, e seis fontes não direcionais, para as quais são calculados mapas de sombras de 512x512x6.

Teste de jogo 2: Floresta Firefly:

Este teste é um bom exemplo de cena externa com muita vegetação. A cena é relativamente pequena, mas extremamente rica em detalhes.
Noite de luar. O chão está coberto de grama espessa, os galhos das árvores são levemente balançados por uma leve brisa...

A exibição da vegetação densa no solo é implementada de forma dinâmica: a concentração e o nível de detalhe da vegetação subterrânea mudam junto com o movimento da câmera. As folhas da grama são exibidas apenas onde necessário, reduzindo a carga da GPU e mantendo a melhor experiência visual. 

A superfície do solo neste teste é renderizada usando o shader "metal" do primeiro teste, mas com a adição de mapas de cores/normais básicos e detalhados. O material do galho da árvore não usa mapas de relevo ou especulares, mas possui um mapa de cores de cubo. O céu é renderizado usando um shader que simula a dispersão da luz.
Moonlight é uma fonte de luz direcional que projeta sombras dinâmicas. As sombras são calculadas usando um mapa de sombras com resolução de 2048x2048. O vaga-lume mágico ilumina a grama e as árvores como uma fonte de luz omnidirecional com um mapa de cubos de sombra de 512x512x6.

Teste de jogo 3: Canyon Flight:

O último teste do jogo apresenta grandes espaços abertos - nesta cena, um navio voador de Júlio Verne navega sobre as ondas através de um desfiladeiro guardado por um verdadeiro demônio do mar.

A superfície da água é a parte mais marcante desta cena. A água não apenas imita reflexos e refrações, mas também tem seu próprio valor de transparência, de modo que um monstro marinho movendo-se na coluna d'água parece estar realmente nadando na coluna d'água, e não atrás de um vidro refrativo turvo.
O shader usado para exibir a superfície da água é uma modificação aprimorada do shader "água" do 3DMark03, mas a superfície da água não é apenas um shader. Para calcular corretamente refrações e reflexos, incluindo a exibição correta de sombras, são necessárias seis passagens do acelerador gráfico. O próprio shader usa leituras de mapas normais, de refração e reflexão. Além disso, uma névoa volumétrica é usada para objetos localizados debaixo d'água, tornando-os mais escuros e menos saturados à medida que se afastam da superfície da água.

A neblina é usada na cena para realçar a presença de um grande espaço aberto, fazendo com que as rochas distantes pareçam mais naturais.

O shader usado para renderizar rochas é o que os desenvolvedores chamam de shader 3DMark05 mais complexo - quando combinado com cálculos de sombra, ele mal se enquadra nas especificações dos pixel shaders modelo 2.0. O material rochoso usa duas texturas base, dois mapas normais e um cálculo de iluminação Lambert.
A cena tem uma fonte de luz – o Sol. As sombras do sol são calculadas usando dois mapas de sombras com resolução de 2048x2048, um mapa é usado para objetos próximos à câmera e o segundo é usado para o resto da cena.

 CPU Teste:

O 3DMark05, assim como o 3DMark03, utiliza testes de jogos com resolução de 640x480, com pós-efeitos desabilitados e shaders de vértice emulados em software para testar a velocidade da CPU. Isso desloca o equilíbrio dos testes para o aumento da carga da CPU e torna os resultados dependentes da velocidade da CPU em vez da velocidade da GPU. Para garantir que os testes sejam executados em condições absolutamente idênticas em qualquer sistema, ambos CPU O teste usa um modo de saída de cena com um número fixo de quadros por segundo.

No primeiro CPU Os desenvolvedores de testes introduziram cálculos adicionais atribuídos ao processador central. Apesar de o voo do navio pelo cânion, em quaisquer condições, ser realizado ao longo de uma trajetória inalterada, este teste introduziu um cálculo contínuo da trajetória ideal que envolve os contornos do cânion. Os cálculos associados a este cálculo são realizados em uma thread lateral, o que permite o uso dos recursos de sistemas multiprocessadores ou processadores com HyperThreading.

Taxa de preenchimento:

Este teste foi transferido para o 3DMark05 praticamente inalterado. Tudo o que mudou é visível a olho nu: para reduzir os requisitos de largura de banda da memória e destacar a velocidade da texturização, os desenvolvedores reduziram ao máximo a resolução das texturas utilizadas - agora são “células” enfadonhas.

O teste, como sempre, possui dois modos: sobreposição de textura única e multitexturização. No modo de sobreposição de textura única, a cena possui 64 superfícies com uma camada de textura em cada, e no modo multitexturização há 8 superfícies com oito texturas em cada.

Sombreador de pixels:

Este teste usa o shader mais complexo do 3DMark05, o shader de superfície de rocha no terceiro teste de jogo. O shader foi transferido do teste do jogo com apenas uma alteração - as sombras não são calculadas aqui.

Vale lembrar que o shader é escrito em HLSL; os requisitos básicos para a GPU, como todos os outros testes 3DMark05, são suporte para shaders do modelo 2.0.

Os desenvolvedores observam que os resultados deste teste serão determinados não apenas pelo desempenho dos processadores de pixel, mas também pela velocidade do barramento de memória - este shader usa intensamente texturas de grande volume.
Uma alternativa menos dependente da velocidade da memória para tal shader, os desenvolvedores veem um shader que usa cálculos matemáticos, ou seja, “criando texturas em tempo real”, mas, em primeiro lugar, um shader semelhante já foi usado no 3DMark03 e, em segundo lugar, como observa Futuremark, os desenvolvedores de jogos, em vez de cálculos matemáticos em shaders, estão muito mais dispostos a usar texturas comuns.

Sombreador de vértice:

O teste consiste em duas partes: na primeira parte é medida a velocidade de transformação simples dos modelos de monstros marinhos - o shader responsável pela transformação pode muito bem se enquadrar nas especificações dos shaders do modelo 1.0, mas o teste, seguindo a ideologia Futuremark, usa DirectX 9.0.

A segunda versão mais complexa do teste usa um sombreador de vértice complexo para transformar folhas de grama. Cada folha de grama se dobra independentemente das demais sob a influência do “vento” definido pelo ruído fractal calculado no processador central. Para reduzir a influência de fatores como desempenho da CPU e velocidade de sombreamento nos resultados do teste, o cálculo do ruído fractal é otimizado tanto quanto possível e as folhas de grama ficam mais distantes da câmera.

 Testes de tamanho de lote:

 Testes de tamanho de lote – um conjunto de testes projetados para a velocidade de renderização de lotes de diferentes tamanhos – grupos de polígonos enviados pelo aplicativo ao driver acelerador em uma chamada de função Direct3D. Cada um desses testes desenha o mesmo número de polígonos, mas os polígonos são agrupados em grupos de tamanhos diferentes a cada vez: 8,32,128, 512, 2048 e 32768 polígonos.
Para evitar que os drivers da placa de vídeo combinem grupos pequenos em grupos maiores para fins de otimização, cada grupo inicial de polígonos é desenhado com sua própria cor - isso faz com que o pipeline gráfico seja reiniciado quando cada novo grupo de polígonos chegar:

O teste revela o quanto as recargas do pipeline gráfico reduzem o desempenho de uma placa de vídeo e mostra a eficiência do driver e da placa de vídeo em grupos de tamanhos diferentes – sabe-se que enviar para o acelerador e desenhar o mesmo número de polígonos com uma chamada de função e um grupo é mais rápido do que muitos grupos pequenos.

Cada uma das reencarnações do 3DMark colocou as placas gráficas modernas de joelhos com novas tecnologias e cenas mais complexas, mas nunca antes a denominação de papagaio foi acompanhada por um salto tão grande na qualidade de imagem. Para obter o máximo de impressões e apreciar os novos testes, você precisa, é claro, assistir ao modo de demonstração - cada cena do jogo no modo de demonstração é uma obra de arte completa.

Vale ressaltar que desta vez o Futuremark divide claramente as cenas de jogos em gêneros, e isso é perceptível à primeira vista nos testes - uma repetição da situação com 3DMark03, onde o segundo e o terceiro testes de jogos atrás de um shell diferente eram iguais por dentro, fez não acontece. Cada cena do jogo é muito diferente e, à primeira vista, deve parecer que reflete muito bem as cenas dos jogos do futuro próximo e distante.
Vale destacar a nova abordagem da Futuremark para testar placas de vídeo com diferentes funcionalidades - o uso de shaders HLSL e seu próprio perfil ideal para cada GPU é talvez o reflexo mais adequado das tendências existentes na indústria de jogos.