Сглаживание в играх: как разработчики делают картинку приятнее и какой тип сглаживания выбрать?
Авторизуйтесь
Сглаживание в играх: как разработчики делают картинку приятнее и какой тип сглаживания выбрать?
Если вы когда-нибудь заглядывали в настройки графики в играх, то, вероятнее всего, замечали параметр сглаживания. И если другие настройки, такие как дальность прорисовки или качество теней, достаточно интуитивны, то с пониманием сглаживания могут возникнуть проблемы.
Зачем нужно сглаживание в играх?
Строение экрана монитора представляет из себя матрицу квадратных пикселей. Несложно догадаться, что в таком случае идеально правильными будут отрисовываться только горизонтальные и вертикальные линии. Как только компьютер попытается отрисовать наклонную линию — появляется зубчатость пикселей.
Лесенка пикселей при отрисовке наклонных линий
Эту проблему можно решить приобретением монитора с бОльшим разрешением. Скорее всего, если у вас не современная видеокарта, то придётся обновить и её. Но такой вариант устроит далеко не каждого.
По этой причине разработчики добавляют в свои игры технологию сглаживания. Она была придумана ещё в 1972 году, но популярность в игровой индустрии начала набирать только спустя несколько десятков лет. Суть сглаживания заключается в том, чтобы закрасить соседние от зазубренности пиксели в промежуточный цвет (или градиент цветов). В таком случае переход будет казаться не таким резким, тем самым сглаживая границу.
Пример сглаживания наклонной линии
Примечание Сглаживание применяется не только в играх, но и в интерфейсах программ и даже просто в операционных системах. Помимо изображений, алгоритм обрабатывает и текст, делая маленький шрифт более читаемым.
Добиться сглаживания можно разными способами. Ниже перечислены 8 основных и популярных алгоритмов сглаживания, однако в играх могут попасться и другие типы.
SSAA (SuperSample Anti-Aliasing)
Самый простой, но в то же время самый эффективный тип сглаживания, который в играх даёт самую приятную картинку. К сожалению, он сильно снижает производительность. Видеокарта виртуально увеличивает разрешение экрана в несколько раз. После отрисовки кадра изображение сжимается обратно до оригинальных размеров, усредняя цвета виртуальных пикселей в соответствующие им реальные пиксели. Если разрешение экрана Full HD (1920×1080), а сглаживание работает в четырёхкратном режиме, то кадр будет отрисовываться в разрешении 4K (3840×2160).
Примечание Усреднение пикселей — это просто нахождение среднего цвета от нескольких виртуальных пикселей. Например, в SSAA x 4 разрешение увеличивается в два раза. Тогда каждому реальному пикселю будут соответствовать 4 виртуальных. Вот примеры того, как будет происходить усреднение:
Примеры усреднения цветов
Такой тип сглаживания убирает лесенку, делает мелкие объекты вдали более различимыми, а саму картинку просто более приятной для глаз.
Графика в играх: окклюзия, сглаживание, фильтрация — Как и с чем её едят
Приветствую всех Стопгеймеров! Давайте начистоту, вы ведь тоже заходите в только купленную игру, но сперва кликаете на графические настройки? Кто ради чего, кому-то ради самоутверждения надо глянуть на ультра-автонастройку благодаря своему мощному «железу», а кто-то просто лезет туда ради интереса.Однако, задумывались ли вы, чем отличаются FXAA и TXAA, или 8х и 16х анизотропная фильтрация? Как-раз в этом блоге, группа Abuse Reviews сейчас вам расскажет и покажет, что же это за фильтрации такие, как они работают и с чем их едят. Поехали!
P.S.
прошлом блоге количество материала в ролике было урезано, здесь эта ошибка была учтена, очень старался для вас.Приятного просмотра)
Давайте начнём с самого-самого простого
Разрешение экрана
Мало кто не знает, что разрешение — это количество отображаемых пикселей по горизонтали и вертикали. От этой настройки также зависит качество картинки и то, как сильно будут выражены «лесенки» в переходах между разными плоскостями\поверхностями. Но почему же возникает этот графический артефакт? Дело в том, что все графические элементы в играх состоят из пикселей, но таких проблем с прямыми линиями не происходит, но стоит только чуть её наклонить, как появляются «лесенки». Возникает это из-за отсутствия плавного перехода между цветами, которое обеспечивает сглаживание, вот о нём мы сейчас и поговорим.
Сглаживание
Самое главное его предназначение — борьба с теми самыми «ступеньками», которые все так не любят. Сглаживание обеспечивает нам плавный переход между цветами, за счёт чего изображение получается куда комфортнее, устраняя «ступеньки». Да, картинка однозначно становится красивой, но всегда приходится чем-то жертвовать, а именно производительностью. За счёт появления новой задачи, процессору и видеокарте приходится рендерить(обрабатывать) все эти дополнительные оттенки, которое даёт нам сглаживание. Но, к счастью, существует много видов сглаживания, которые предоставляют нам разработчики в настройках. Их то мы сейчас и рассмотрим:
Этот вид сглаживания не слишком сильно нагружает процессор, потому что он обрабатывает лишь те части кадра, которые выглядели бы неровными, а выбирает он эти части независимо от того, где и как они располагаются. Это самый быстрый и менее затратный в плане ресурсов метод сглаживания. Отличие от прошлого метода сглаживания заключается в нескольких аспектах. В первую очередь, FXAA применяется к изображению в том разрешении, в котором вы играете, также размывает картинку сильнее, что выглядит совсем не лучше, чем MSAA, зато расходует на порядок меньше ресурсов, из-за чего этот вид сглаживания почти не вредит вашему FPS
Пожалуй, это лучший вид сглаживания, который сильно похож на MSAA, но с некоторыми дополнениями. Дело в том, что TXAA учитывает и берёт в расчёт предыдущие кадры и сглаживает последующие путём усреднения цветов.
Да, это не вид сглаживания, но избавляется от лесенок этот способ довольно неплохо, но при одном условии, которое свойственно не каждому пк. Ведь не у всех есть 2\4К мониторы, которые позволяют увеличить разрешение больше 1920х1080. За счёт уменьшения пикселей «лесенки» остаются, но становятся куда меньше, однако это влияет на производительность больше всего из перечисленных способов. Так что этот метод подойдёт только обладателям мониторов с очень высоким разрешением и мощным железом. Забавно слушать легенды о том, что если поставить 2к или 4к разрешение в игре на FullHD мониторе, то картинка станет лучше. Решил я это проверить на примере GTA V и что-то не увидел разницы до и после, ни в фреймрейте, ни качестве. 
Проблем никогда не бывает мало. В этом случае нет никаких исключений, ведь кроме «ступенек» встречается такой артефакт, как разрыв картинки. Это происходит, когда ваши монитор и видеокарта пытаются работать синхронно, но по какой-то причине эти парни не могут этого сделать, причиной является частота кадров и частота обновления монитора. К примеру, вы находитесь в какой-то загруженной локации, а ваша видеокарта старается держать стабильную частоту, в то время как монитор обновляет изображение на одной и той же частоте. Если они не синхронизируются между собой, то как раз и появляется такой разрыв. И для решения этой проблемы предназначен следующий параметр:
Вертикальная синхронизация 
Этот параметр заставляет работать видеокарту на той же частоте, что и монитор, однако из-за этого возникают уже другие проблемы, к примеру, частота кадров может сильно падать из-за того что в игре появляется слишком много объектов, которые приходится обрабатывать. Но и для этой беды есть решение, которое называется — горизонтальная синхронизация. Принцип действия заключается в том, что модуль, встроенный в монитор заставляет экран обновляться сразу же при получении нового кадра, что способствует идеальному совпадению частот видеокарты и монитора. Благодаря всему этому, производительность компьютера не уменьшается, а монитор и видеокарта работают максимально слаженно.
На этом о проблемах картинки и артефактах — всё
Тесселяция
Тут стоит обратить внимание на контур головы 47-го
А вот она создана не для того чтобы исправлять косяки в картинке, а улучшать её и делать более насыщенной и реалистичной. Многие из нас знают, что 3д-объекты в играх состоят из полигонов (мелких частиц). Тесселяция подразумевает разбиение полигонов на более мелкие части, чтобы генерировать больше деталей у объекта. Это особенно удобно для выделения высоты и глубины объектов. Также она способствует созданию более закругленных объектов без острых форм и углов.
Окклюзия окружения (Ambient Occlusion)
Лично я занимаюсь созданием 3д-моделей в Cinema 4D и довольно хорошо знаком с этой фичей. 
Она позволяет создавать искусственные тени, таким образом, в идеале, геймдизайнеры и создатели 3д-анимаций предпочитают использовать движки, поддерживающие функцию глобального освещения, которое позволяет создавать освещение идентичное реальному, а всё благодаря вычислениям точных оттенков каждого из пикселей, в зависимости от общего количества света, попадаемого на него. Знаю, что звучит это сложновато, но как же это преобразовывает картинку… словами не описать. Такое освещение очень подходит для различных кинематографичных сцен в мультфильмах или кат-сцен в играх, но это оказывает очень сильную нагрузку на железо, но на то у нас и есть окклюзия окружения, которая создаёт искусственные тени там, где они должны располагаться.
Для начала стоит разобраться с освещением в играх. В них источником света является естественное освещение, которое является упрощённой версией глобального освещения, где расположение теней зависит от того, есть ли перед источником естественного освещения какое-либо препятствие, но это даёт нам более плоские тени в меньшем количестве, чем хотелось бы. Тут и наступает триумф окклюзии окружения, ведь она определяет расположение дополнительных теней с поммощью трассировки лучшей, а именно вычисляет, сколько солнечных лучшей блокируется рядом со стоящими объектами. То есть, если один объект загораживает другой, то поверхность второго объекта, разумеется, будет находиться в тени. Впадины, углубления и тому подобное начинает больше выделяться с помощью окклюзии.В огромном большинстве случаев этот параметр уже «вшит» в графические настройки, что не позволяет включать и выключать его. Но это всё окклюзия окружения в общем. Наверняка вы все сталкивались с такими параметрами освещения как SSAO,HBAO и HDAO?
Она взяла своё начало со времён первого Crysis, благодаря компании Crytek, по-сути оно заключается в вычислении глубины каждого пикселя и пытается вычислить количество преград от каждой из выбранных точек. Алгоритм SSAO призван упростить вычислительную сложность алгоритма Ambient occlusion и сделать его подходящим для работы на графических процессорах в режиме реального времени. Вместе с тем качество результирующего изображения у SSAO является худшим, чем в первоначальном Ambient occlusion, так как SSAO использует упрощённые методики рендеринга(обработки изображения).
Имеет тот же принцип работы, что и SSAO но несколько усовершенствованный. Просто вычисления глубины производятся с большим числом выборок, но приходится жертвовать производительностью.
Одно основывается на другом. Таким же образом как SSAO отличается от HBAO, HDAO от HBAO отличается точно тем же, ну и ещё эта окклюзия была представлена нам компанией AMD.
Ну а что по кинематографичности?
Глубина резкости
Неплохо так нагружает вашу систему, но и так же неплохо придаёт картинке кинематографичности, а всё благодаря фокусу на конкретных объектах, благодаря чему, остальные объекты размываются. Но это может привнести неудобства, как например при игре в PUBG, во время выглядывания из окна (ну вы знаете, когда упираешься лицом в стену как идиот и видишь всё что происходит за ней) иногда замыливается вид в окне, а фокус идёт на стену или оконную раму. Очень раздражает. Однако кинематографичность, опять же, дарит нам положительные впечатления об игре.
Ну и последнее о чём хотелось бы рассказать
Анизотропная фильтрация
А вот этот параметр уж точно видел каждый, но далеко не все понимают как это работает. Объясню быстро и просто. Во имя сохранения FPS разработчики используют нехитрый трюк с понижением качества текстур и моделей по мере отдаления от них. Зачастую мы можем наблюдать размытие текстуры пола вдали от себя, но если мы включим фильтрацию, то границы между различными уровнями детализации размываются. Плюс такой фильтрации в том, что вы можете со спокойной душой ставить значение 16х, ведь этот параметр почти не оказывает давления на процессор и видеокарту.
Ну а на этом всё. Если вам понравился этот блог и вы узнали что-то новое, обязательно жмите на плюс, а также интересно узнать, нравится ли вам качество видеоформата, если вы его глянули? Большое спасибо вам за внимание, всем удачных каток и стабильного FPS!
Как работает рендеринг 3D-игр: сглаживание с помощью SSAA, MSAA, FXAA, TAA и других методик
3D-игры состоят из тысяч, если не миллионов разноцветных прямых линий и других рёбер. А из-за того, как происходит их обработка для вывода на экран, эти линии иногда могут выглядеть изломанными и искажёнными. В пятой части нашего исследования рендеринга в 3D-играх мы расскажем, какие методики используются для сглаживания рёбер миров, в которые мы играем. Хорошие новости — на этот раз математики будет не так много!
Часть 1: обработка вершин
Кто виноват
С математической точки зрения, искажение возникает при преобразовании непрерывного «сигнала» в дискретный набор значений при помощи сэмплирования. Растеризация прямых или искривлённых линий вызывает пространственные искажения — эти геометрические формы, по сути, состоят из бесконечного количества точек между двумя точками пространства, и их отображение при помощи фиксированного количества пикселей всегда приводит к аппроксимации этой линии вне зависимости от количества используемых пикселей.
Так как пикселизированная версия линии больше не является истинной линией, её перемещение или размещение рядом с другими фигурами создаёт множество визуальных артефактов, которые мы и называем «искажениями» (aliasing).
Можно задаться вопросом, действительно ли нужен этот процесс, но он возник из необходимости: отрендеренное изображение должно отображаться на экране. Из чего бы он ни был собран, будь то электронно-лучевая трубка, жидкокристаллический дисплей, или плазменная панель, этот экран отрисовывает изображение при помощи массива разноцветных элементов.
Разрешения 10 x 7 пикселей не совсем хватает для отображения этого треугольника без искажений
Некоторые сигналы меняются не в пространстве, а во времени, и здесь мы тоже получаем искажения при сэмплировании с заданными интервалами. Например, для преобразования аналоговой аудиодорожки в цифровую требуется измерять уровень звука через определённые доли секунды (допустим, в случае CD audio это каждые 0,02 миллисекунды).
Различия между сигналом, созданным из сэмпла, и оригинальным сигналом создают временные искажения, с которыми обычно справляются благодаря повышению частоты сэмплирования. Но что если сигнал на самом деле является последовательностью движений? Когда мы следим за реальным миром, окружающие нас предметы движутся без дискретности, поэтому когда это движение преобразуется в поток «снимков», получаются искажения.
В мире кинематографа это приводит к странно выглядящим движениям, например, колёса автомобиля как будто вращаются в обратном направлении. Это проявляется и в 3D-графике, когда частота кадров рендеринга сцены недостаточна для полной передачи движения объектов и персонажей, из-за чего края выглядят размытыми или зазубренными; последний дефект усугубляется пространственным искажением.
Хотя методики, используемые для решения этих проблем, имеют общее название anti-aliasing (AA), способы их решения в фильмах совершенно отличаются от способов в 3D-игре. В последних применяется множество методик, имеющих всевозможные названия. Но прежде чем мы приступим к общему обзору самых популярных алгоритмов, давайте поговорим о разрешении кадра и частоте кадров.
Зачем? Потому, что если бы и то, и другое было чрезвычайно велико, то искажение не представляло бы проблемы. Если взять старый бенчмарк, например 3DMark03, и запустить его на современной системе, то мы сможем сфокусироваться исключительно на пространственных искажениях.
Показанное выше изображение, взятое из первого теста Wings of Fury, сделано с разрешением 1280 x 720 пикселей. Четырнадцать лет назад, когда лучшими графическими картами были ATI Radeon 9800 XT и Nvidia GeForce FX 5900 Ultra, самые большие мониторы имели разрешение примерно 1600 x 1200, поэтому разрешение теста можно считать примерно низким или средним разрешением (сродни современному 1080p).
Но взглянув на крылья самолётов, можно чётко увидеть искажения, и особенно заметны они в движении. Большой контраст между цветом пикселей крыла и фона из неба и облаков создаёт мерцание при перемещении самолёта.
В этом следует винить относительно низкую степень сэмплирования, поэтому логичнее всего будет её увеличить; давайте теперь рассмотрим ту же сцену в 4K (3840 x 2160 пикселей).
Края крыльев стали заметно плавнее, но если увеличить изображение, то мы увидим, что искажения всё равно присутствуют. Можно продолжать увеличивать разрешение вплоть до того, что искажения невозможно будет разглядеть, но это имеет свою цену.
Если в коде не написано иное, обычно обработке должен подвергаться каждый пиксель растра: для вычисления окончательного цвета накладывается множество текстур и выполняется вычисление кучи шейдеров. В большинстве игр это является узким местом, поэтому частота кадров имеет обратную зависимость от разрешения растра.
В случае такой старой программы, как 3DMark03, на современном PC переход от 1280 x 768 к 3840 x 2160 снизил среднюю частоту кадров с 1670 до 1274 FPS, то есть увеличение количества пикселей на 740% снизило производительность всего на 24%. Однако в более новых программах ситуация будет иной.
Это легко продемонстрировать, запустив современный 3DMark при различных разрешениях; на графике ниже показана средняя частота кадров первого теста графики в бенчмарке Time Spy.
Переход с 720p на 4K — это повышение разрешения на 800%, но частота кадров упала на 81%. Хотя игры могут и не демонстрировать этот паттерн в точности, но современные AAA-игры не очень от него отличаются. Это говорит нам, что если мы хотим максимально снизить влияние искажений, нам нужен способ получше, чем повышение разрешения растра — чем ниже частота кадров, тем хуже становятся временные искажения.
К сожалению, первый алгоритм, разработанный для устранения пространственного искажения, делал именно это, но прежде чем мы приступим к его рассмотрению, надо указать на его особенности, о которых мы поговорим в этой статье. Техники устранения искажений многие годы разрабатывались независимыми научными исследователями, а также разработчиками систем в компаниях наподобие ATi, Intel и Nvidia.
Из-за отсутствия центральной организации, определяющей терминологию, существует большое разнообразие названий. Поэтому мы будем использовать самые общие названия алгоритмов, а также расскажем, как работают лежащие в их основе техники. У каждой из них есть множество модифицированных и расширенных версий со своими названиями.
Supersampling anti-aliasing (SSAA)
Этот способ, часто называемый также full scene anti-aliasing — самый старый и простой из всех. Он заключается в рендеринге сцены с повышенным разрешением, с последующим сэмплированием и смешением результата в меньшее количество пикселей. Например, монитор может иметь максимальное разрешение 1920 x 1080, но игра рендерится с разрешением 3840 x 2160, а затем картинка масштабируется и передаётся на экран.
В качестве паттерна сэмплирования обычно используются ближайшие соседние пиксели (по сути, окружающий пиксель квадрат), а математика смешивания заключается в простом арифметическом усреднении сэмплов.
Разумеется, мощности современных GPU позволяют использовать более сложные алгоритмы сэмплирования и смешения. Но давайте вкратце рассмотрим, как это работает. На изображении ниже показано действие классического 4x SSAA. «4x» означает, что вычислением арифметического среднего смешивается вместе 4 сэмпла (также называемых taps) для получения окончательного цвета. Для этого растровое разрешение увеличивается по каждой из осей в два раза.
Заметили, что сэмплы в этом примере расположены точно в центрах пикселей? Так как сами пиксели имеют дискретную площадь, позиции сэмплов можно установить в любой точке этой области. Много лет назад AMD и Nvidia экспериментировали со всевозможными паттернами сэмплирования для обеспечения наилучшего сглаживания.
Описанный выше паттерн и способ смешения называется box filter, однако существует его популярное улучшение с использованием повёрнутой сетки позиций сэмплов (RGSS). Проблема SSAA заключается в том, что все эти дополнительные пиксели необходимо обрабатывать, и как мы видели из тестов 3DMark, повышение разрешения растра запросто может сильно снизить частоту кадров.
По большей части суперсэмплирование можно заменить более эффективными алгоритмами, однако оно обрело новую жизнь в качестве параметра драйверов графических карт AMD и Nvidia. AMD называет свою технологию Virtual Super Resolution (VSR), а Nvidia — Dynamic Super Resolution (DSR).
Их можно использовать для включения сглаживания в некоторых старых играх без встроенных систем сглаживания, или для улучшения уже имеющейся в игре системы.
Multisample anti-aliasing (MSAA)
Этот способ возник как результат работы исследовательских лабораторий Silicon Graphics в начале 90-х. По сути, это SSAA, но применённая только там, где это на самом деле нужно. Ну, на самом деле, внутри технологии есть не только это, но такое объяснение поможет вам понять, как работает алгоритм.
Основное преимущество суперсэмплирования одновременно является и проблемой, потому что сглаживается всё: края примитивов, плоские текстурированные поверхности, прозрачные полигоны, всё сразу. Учитывая то, что фильтрация текстур уже обработала то, что находится внутри треугольников рендеринга, нам нужна система, применяемая только к рёбрам, потому что они создают наиболее заметную проблему искажений.
Но как это сделать? Оказывается, что необходимая для этого информация уже есть. Когда 3D-мир вершины преобразуется в 2D-плоскость растра, пиксели, создающие форму всевозможных разных примитивов в сцене, содержат не только информацию о цвете и текстурах, но и глубину.
Эту информацию можно сохранить в z-буфер (иногда называемый буфером глубин), а затем использовать для определения видимости рёбер. В приведённом выше примере простой примитив расположен передней поверхностью к камере, поэтому значения глубин центров соответствующих пикселей определить легко: белый — это фон, чёрный — примитив.
Так как GPU могут получать дополнительные сэмплы внутри пикселя, можно создать версию чёрно-белой сетки из квадратиков в более высоком разрешении. Мы снова просто фиксируем глубину примитива в позициях сэмплов, а готовый результат будет выглядеть примерно так:
Обратите внимание, как множественные сэмплы (multiple samples, вот отсюда и взялось название технологии) дают нам более точную карту глубин примитива. А теперь начинается хитрость. Сохранив эту подробную карту глубин, мы возвращаемся к кадру с исходным разрешением и выполняем все нужные шейдеры для получения окончательного цвета.
Потом мы возвращаемся к детализированному буферу глубин и каждому пикселю, находящемуся внутри примитива (т.е. чёрному), назначаем выходной цвет шейдера. Очевидно, что его нужно где-то хранить, поэтому необходимо создать ещё один буфер высокого разрешения, или же отдельный, но относительно малый буфер для каждой точки сэмпла в пикселе.
Затем, как и в случае с SSAA, мы сэмплируем и смешиваем детализированный буфер, приводя его к требуемому разрешению, и всё! Мы получили кадр без искажений. С точки зрения производительности, мы выполняли пиксельные шейдеры только для относительно малого количества точек, но для этого нам понадобилось создать и хранить пару буферов высокого разрешения.
Поэтому для multisample anti-aliasing требуется много видеопамяти и широкий канал передачи данных (плюс возможность быстрого считывания/записи в z-буферы), зато эта методика не требует большой вычислительной нагрузки на шейдеры. Давайте воспользуемся старым примером кода AMD, чтобы посмотреть, как она выглядит и чем отличается от SSAA.
Код запускает сцену с простыми текстурами и освещением, но со множеством геометрии, поэтому искажения на её рёбрах бросаются в глаза намного сильнее. В верхнем левом углу есть любопытная информация — для рендеринга каждого кадра в среднем требуется 0,18 миллисекунд, а для смешивания в окончательный результат — всего 0,02 мс. Буфер цвета (тот, который мы видим) занимает 7,4 МБ, как и буфер глубин.
Также можно приблизить отдельные области картинки, чтобы увидеть всю ужасность искажений. Не забывайте, что мы могли бы отрендерить всё это в более высоком разрешении, но это просто увеличит время рендеринга. Но если мы применим к сцене 4x SSAA, то именно это и произойдёт.
Обратите внимание, что в представленном выше изображении время рендеринга увеличилось до 0,4 мс (рост на 122%), а время смешивания (под названием «Resolve») удвоилось. Кроме того, размер буферов цвета и глубин увеличился в четыре раза. Такова цена использования SSAA, и хотя любой современный GPU с лёгкостью справится с этой сценой, в новых 3D-играх ситуация окажется ужасной.
Однако посмотрите на увеличенную часть изображения. Заметили, насколько более гладкими стали линии? Да, в изображении ещё довольно много искажений, но оно заметно лучше. Вот если бы эта техника была не такой затратной! Ну, несколькими нажатиями мы можем переключиться на MSAA, и посмотреть, что изменится.
Показатели времени рендеринга сцены почти вернулись к тем, когда не применялось сглаживание, что хорошо, однако ещё больше стало время смешивания. Общий занятый объём памяти тоже находится примерно посередине между отсутствием AA и 4xSSAA, поэтому, похоже, что MSAA определённо стоит использовать.
Даже искажения на рёбрах примитивов кажутся меньшими, однако это больше связано с использованным паттерном сэмплирования, а не с самим принципом работы MSAA. На самом деле, если посмотреть на текстуру стены в увеличенной области, становится очевидным один недостаток multisample AA.
SSAA улучшает всё, а MSAA влияет только на рёбра полигонов, и хотя для статических изображений это не так важно, движение обычно делает разницу между сглаженными линиями и размытыми текстурами чуть более заметной. Ещё одна проблема заключается в том, что алгоритм плохо сочетается с отложенным рендерингом и хотя эту проблему можно обойти, все способы её решения имеют свою цену с точки зрения производительности.
Что же делать, если методики supersampling и multisampling anti-aliasing неидеальны?
Fast approximate anti-aliasing (FXAA)
В 2009 году Nvidia представила другой способ улучшения изломанных краёв фигур в 3D-сцене. SSAA пользуется исключительно «грубой силой», MSAA — аппаратными функциями и трюками в коде. FXAA спроектирована так, чтобы выполняться исключительно через шейдеры. После появления этой методики её несколько раз совершенствовали и сегодня она активно применяется в играх.
Код выполняется как этап постобработки (т.е. после завершения большинства операций рендеринга, но до наложения элементов наподобие интерфейса), обычно в виде единственного пиксельного шейдера. Первоначальная версия алгоритма работала так: сначала сэмплируем буфер, содержащий отображаемое изображение, и преобразуем sRGB в линейную оценку яркости этого пикселя (это величина количества света, проходящего через заданную площадь в указанном направлении).
Эта часть шейдера состоит всего из нескольких строк, она даже может использовать зелёный канал для вычисления уровня освещения. Зачем ему это нужно? На следующем этапе шейдера выполняется проверка относительного контраста пикселей, окружающих сэмплируемый пиксель — если разница велика, то это место с большой вероятностью является ребром.
Последовательность выполнения FXAA: нахождение пикселей на рёбрах, определение ориентации, их сдвиг, размытие готового изображения.
Пиксели, прошедшие тест, проходят ещё одну проверку для определения ориентации ребра. После его вычисления пара пикселей (под углом 90° к ребру), имеющая максимальную разность яркости, используется для сканирования вдоль ребра для поиска его концов. Они определяются по достаточно большому изменению средней яркости этой пары пикселей.
После того, как будут полностью определены все рёбра, все позиции пикселей вдоль этих рёбер сдвигаются: вверх или вниз в случае горизонтальных рёбер, или в стороны для вертикальных. Они сдвигаются на крошечную величину, настолько малую, что новая позиция находится в пределах площади исходного пикселя. После такого незначительного размазывания на основании новых точек сэмплируется исходный буфер кадров — пиксели внутри примитивов останутся на прежнем месте, а те, которые задают ребро, будут изменены, способствуя снижению влияния искажений.
FXAA имеет серьёзные преимущества по сравнению с SSAA и MSAA. Во-первых, это настолько простой фрагмент кода, что его способен выполнить практически любой GPU; даже дешёвые модели способны выполнить эту процедуру всего за несколько миллисекунд.
Во-вторых, она сглаживает все рёбра, а не только периметры фигур. Например, текстуры с прозрачностью (часто используемые для дыма, мусора и листвы) будут сглажены, на что MSAA не способна.
Без AA (слева) и FXAA (справа) — обратите внимание, что деревья и элероны крыла выглядят намного плавнее
А какие недостатки есть у этой методики? Если в кадре есть множество областей с высокой контрастностью, например, с яркими пикселями на тёмной фоне, они смешиваются, вне зависимости от необходимости.
Точность этого способа не так высока, как у SSAA или MSAA, потому что он не может передавать субпиксельные детали — по сути, это просто хитрый фильтр, который может создавать довольно бесформенно выглядящие текстуры. Но благодаря своей малозатратности и создаю достаточно эффективных результатов, FXAA по-прежнему используется спустя 12 лет, хотя и в переработанном виде.
Существуют и другие полноэкранные алгоритмы поиска рёбер. Источником вдохновения для разработчиков FXAA стало созданная Intel Morphological anti-aliasing (MLAA); эта методика была усовершенствована разработчиком игр Crytek и испанским Университетом Сарагосы, которые дали ей название Enhanced Sub-pixel MLAA (сокращённо SMAA).
Лучше всего во всех этих методиках то, что, в отличие от SSAA и MSAA, их можно постоянно обновлять и модифицировать, подстраивая под конкретные приложения или игры.
Temporal anti-aliasing (TAA)
Пока мы рассматривали только методики для устранения визуального влияния пространственных искажений. Для борьбы с временными искажениями (temporal aliasing), возникающими из-за того, что 3D-игры генерируют дискретные сэмплы непрерывного движения, чаще всего используется следующий алгоритм.
Мы начинаем с рендеринга кадра и его отображения; однако также мы сохраняем значения пикселей в блок памяти, называемый буфером истории (history buffer). Затем рендерер переходит к следующему кадру последовательности и обрабатывает его, но перед его отображением сэмплирует буфер истории, а результаты сэмплирования смешиваются с текущим кадром. Затем в буфер истории сохраняется этот результат, скопированный для создания окончательного изображения, а готовый буфер помечается как готовый для отображения на мониторе.
Общая схема временного сглаживания.
Все последующие кадры подвергаются тому же паттерну: рендеринг, сэмплирование буфера истории, смешивание, обновление и отображение. Накопление идущих по порядку кадров обеспечивает сглаживание всей сцены в движении от кадра к кадру, и мы получаем красивое изображение без временных искажений.
Однако если бы он делал только это, то алгоритм был довольно бесполезным — например, если между кадрами отсутствуют изменения, то смешивание ничего не исправит. Чтобы обойти эту проблему, каждый кадр изначально рендерится со случайным смещением камеры на крошечную величину (называемую субпиксельными колебаниями). Затем чуть смещённые позиции пикселей используются для сэмплирования буфера истории, после чего колебания устраняются для завершения обработки кадра.
Следовательно, когда дело доходит до смешивания значений из буфера истории с текущими, мы почти всегда получаем слегка отличающиеся сэмплируемые субпиксельные позиции, что повышает степень сглаживания.
Самый популярный алгоритм TAA.
Временное сглаживание (Temporal AA) может создавать избыточное размытие, а также проблему под названием ghosting, при которой края движущихся объектов выглядят размазанными, а не смягчёнными.
Для решения этой проблемы используется методика с вычислительным шейдером, рассчитывающим движение векторов объектов, сохраняющим информацию в память (буфер скоростей), а затем сравнивающим относительные скорости текущих пикселей с сэмплированными — если они сильно различаются, то сэмпл истории не используется.
Кроме использования значений скоростей, большинство реализаций алгоритма TAA выполняют ещё один процесс проверки сэмплов истории; это не позволяет использовать значения из предыдущих кадров, не относящиеся к текущему кадру (например, они могут оказаться скрытыми за сдвинувшимся объектом). В этой методике обычно используется ограничивающий параллелепипед, выровненный по координатным осям (axis-aligned bounding box, AABB), в котором по осям отложена хроматичность буфера истории; она отсекает все пиксели, имеющие цвет за пределами этих границ.
В окончательное смешивание истории и текущих пикселей тоже можно добавить веса, используя сравнительные значения цвета, яркости или скорости; наконец, во время последнего копирования обновлённого буфера истории для отображения можно применять различные фильтры размытия, ещё больше снижающие ghosting.
Без AA (слева) и TAA (справа) — обратите внимание на размытие деталей на крыле
Для разработчиков кодировать всё это значительно сложнее, чем добавить в игру SSAA или MSAA. Но современные GPU способны быстро вычислять все необходимые шейдеры; в то время как алгоритмы supersampling и multisampling для каждого кадра требуют множества сэмплов, TAA, по сути, распределяет эти сэмплы на несколько кадров. Это означает, что в играх, не сильно ограниченных объёмом вычисляемых шейдеров, TAA можно реализовать ценой относительно малого снижения производительности.
Кроме того, TAA хорошо работает с отложенным освещением и может использоваться с аналогами FXAA и SMAA, что приводит к ещё большему улучшению графики. К сожалению, эта методика подвержена чрезмерному размытию и возникновению артефактов мерцания вдоль рёбер с высокой контрастностью. Однако вычислительная мощь GPU, похоже, ещё долго не выйдет на плато, и подобные техники можно совершенствовать, используя более сложные методы определения способа сэмплирования и проверки буфера истории.
И это ещё не всё!
Четыре описанные выше методики, особенно FXAA и TAA, активно используются в играх для PC и консолей. Но есть и множество других алгоритмов.
Например, когда Nvidia выпустила серию графических карт GeForce 9, то объявила и о создании модифицированной версии MSAA под названием Multi-Frame Sampled Anti-aliasing (MFAA). По сути, GPU изменяет паттерн сэмплирования с каждым последующим кадром, то есть на кадр приходится меньшее количество создаваемых и смешиваемых сэмплов.
Среднее от нескольких кадров и создаваемый эффект практически такие же, как при обычном MSAA, но с меньшим снижением производительности. К сожалению, этот алгоритм можно реализовать в играх, разрабатываемых под руководством Nvidia, и он недоступен во всех проектах. Однако он всё равно существует и его можно включить в панели управления драйвером GeForce.
Позже этот разработчик GPU вложил значительные ресурсы в разработку алгоритма сглаживания с использованием искусственного интеллекта под названием Deep Learning Super Sampling (DLSS), впервые появившегося в 2018 году вместе с выпуском чипов Turing.
В первой версии DLSS компания Nvidia должна была обучать нейросеть глубокого обучения (DNN) на конкретных играх сравнением кадров низкого разрешения с кадрами в высоком разрешении со включенным SSAA. Современная версия использует более обобщённую сеть и получает дополнительную информацию в виде векторов движения для определения того, как должен выглядеть кадр, как если бы он рендерился с более высоким разрешением.
Хотя основное преимущество DLSS заключается в повышении производительности (например, рендеринг выполняется при 1080p, но нейросеть повышает разрешение до 1440p), система, по сути, применяет AA, потому что её целевыми данными является изображение.
AMD сейчас работает над собственной версией такой системы и после её выпуска мы можем наконец увидеть, как алгоритмы AA с глубоким обучением постепенно заменяют традиционные, но пока этого не случилось. Такие системы реализовать не проще, чем, допустим, TAA, а визуальные результаты не всегда идеальны.
Исследования более совершенных техник сглаживания продолжаются, но мы и так уже проделали длинный путь со времён Riva TNT и Half-Life, когда нам приходилось мириться с зазубренными полигонами, потому что на их устранение не хватало производительности.
Итак, когда в следующий раз вы будете настраивать параметры графики в новой игре и увидите различные варианты доступных способов AA, поблагодарите про себя инженеров и программистов, придумавших всё это.
