Что такое сглаживание? 6 различных типов и методов

Чтобы понять сглаживание, нам сначала нужно понять концепцию сглаживания.

Возможно, вы столкнулись с пиксельными или неровными краями на экране при просмотре видео или во время игры в видеоигры. Эти «неровности» известны как сглаживание. Это снижает общее впечатление от просмотра.

Но почему возникает алиасинг?

Изображения, отображаемые на экране, состоят из крошечных квадратов, известных как пиксели. Каждый пиксель, самый маленький контролируемый элемент изображения, имеет свою яркость и цвет. Вертикальные и горизонтальные линии можно точно сопоставить с квадратными пикселями, но изогнутые линии или изображения от угла к углу должны быть скорректированы от точки к точке. Когда пиксели по краю либо выключены, либо включены, это приводит к неровным краям (сглаживание или ступенчатый переход).

Очевидное решение избежать наложения спектров - увеличить разрешение экрана, но не каждый человек может позволить себе высококачественный монитор. Вот почему инженеры разработали несколько методов, позволяющих уменьшить влияние неровностей на экране. Один из таких эффективных методов - сглаживание.

Что такое сглаживание?

Сглаживание - это метод смешивания краев пикселей с окружающими пикселями для создания иллюзии более гладких краев. Это не так просто, как кажется:вы говорите своему компьютеру обрабатывать миллионы пикселей в каждом кадре и делать края более гладкими.

CPU / GPU сглаживает края, регулируя цвета по всем краям. Вместо того, чтобы включать или выключать пиксель, процессор помещает его где-то посередине. Например, белая диагональная линия на черном фоне может иметь оттенки темного и светло-серого по краям вместо белого и черного.

Увеличенное изображение линии со сглаживанием и сглаживания

Алгоритмы сглаживания созданы для того, чтобы цифровые изображения выглядели естественно при просмотре с определенного расстояния. При увеличении сглаженный текст и изображения выглядят нечеткими из-за настроенных пикселей.

Помимо цифровой фотографии и компьютерной графики, сглаживание также широко используется в цифровом аудио (для удаления нежелательных частот из дискретизированного звука). В этой обзорной статье мы сосредоточились на первом.

Неровности не заметны на современных экранах HiDPI (большое количество точек на дюйм), потому что они имеют более плотные пиксельные сетки, которые могут более четко отображать изображения. Однако даже на экранах с высоким разрешением применяется сглаживание.

Существуют различные типы методов сглаживания, которые делают просмотр и игровой процесс лучше и более захватывающим. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Давайте подробно обсудим восемь самых популярных типов сглаживания.

1. Сглаживание суперсэмплинга (SSAA)

До (слева) и после (справа) применения SSAA

Обеспечивает исключительное качество изображения, но снижает производительность

Также известное как Full-Scene Anti-Aliasing (FSAA), Supersaming Anti-Aliasing (SSAA) является одним из старейших и наиболее эффективных пространственных методов. Он идеально подходит для обработки фотореалистичных изображений, поскольку придает изображению более мягкий вид и делает его более реалистичным.

В этом методе отображаемое изображение отображается с гораздо более высоким разрешением. Образцы цвета берутся из лишних пикселей, которых не было в изображении с низким разрешением, и измеряется среднее значение цвета.

Когда изображение уменьшается, применяется среднее значение для удаления неровностей. Это дает субдискретизированное изображение с гораздо более плавными переходами. Качество вывода зависит от количества образцов цвета:чем больше количество образцов, тем выше качество.

Хотя этот метод обеспечивает отличное качество изображения, он снижает производительность, поскольку рендеринг изображений с высоким разрешением требует больших вычислительных ресурсов. Вот почему он больше не широко используется в играх.

Еще один недостаток использования этого метода заключается в том, что он негативно влияет на изображения с большим количеством вертикальных или горизонтальных линий. При обработке эти линии (которые по своей природе резкие) кажутся мягкими.

2. Мультисэмплерное сглаживание (MSAA)

Источник изображения:Nvidia

Требует относительно меньше вычислительных ресурсов, но дает изображения более низкого качества

Мультисэмплерное сглаживание - это особый случай суперсэмплинга, когда определенные компоненты изображения не подвергаются полной суперсэмплингу. Сглаживаются только края многоугольника (наиболее частый источник сглаживания в трехмерной графике). Текстуры не сглаживаются.

В частности, когда CPU / GPU визуализирует изображение на дисплее, он различает два разных компонента:многоугольник и текстуру. CPU / GPU сначала рисует общую форму или контур объекта (многоугольника), а затем заполняет его текстурой. MSAA корректирует только неровности многоугольника, оставляя текстуры без изменений.

Поскольку MSAA не обрабатывает все части окончательного изображения, он более эффективен и требует меньше вычислительных ресурсов, чем SSAA. Однако он дает изображения относительно более низкого качества и не может работать с прозрачными пленками.

3 и 4. Сглаживание выборки покрытия (CSAA) и сглаживание улучшенного качества (EQAA)

MSAA (слева) и CSAA (справа) [более жесткое разрешение краев в CSAA]

Оба варианта обеспечивают лучшее качество при минимальном снижении производительности

Производители графических процессоров AMD и NVIDIA разработали собственные методы пространственного сглаживания. NVIDIA создала CSAA, а AMD создала EQAA. Хотя у них разные названия, они действуют одинаково.

В обоих методах графический процессор идентифицирует многоугольник на изображении и вычисляет, какие области многоугольника могут иметь неровности. Затем выполняется суперсэмплинг только этих пикселей.

Поскольку все изображение не обрабатывается, GPU требует для работы значительно меньше вычислительной мощности. Более того, как CSAA, так и EQAA не требуют дополнительных образцов цвета / глубины / трафарета. Таким образом, они потребляют ту же видеопамять, что и MSAA (в эквивалентном режиме).

5 и 6. Морфологическое сглаживание (MLAA) и быстрое приближенное сглаживание (FXAA)

Реализация метода FXAA (пошаговый процесс слева направо, сверху вниз) | Предоставлено:NVIDIA

Быстро, требует меньше вычислительных ресурсов, но не подходит для изображений с подробными текстурами

NVIDIA и AMD разработали два метода постобработки сглаживания, известные как быстрое приближенное сглаживание и морфологическое сглаживание соответственно. Оба работают одинаково - пиксель размывается после рендеринга.

В методах сглаживания постобработки графический процессор сравнивает цветовой контраст между двумя соседними пикселями, чтобы определить, где находится край многоугольника. Пиксели с одинаковым цветом и интенсивностью обычно являются частью одного и того же многоугольника. После обнаружения края графический процессор размывает пиксели пропорционально их контрасту.

В отличие от MSAA, который не работает для отложенного рендеринга, MLAA и FXAA могут точно определять границы на изображении, а затем находить в них определенные закономерности. Оба они очень быстрые и требуют меньше вычислительных ресурсов, чем пространственный метод. «Размытие» доказало свою эффективность, поскольку оно устраняет резкий контраст между неправильно выровненными пикселями, вызывающий неровности. Однако размытость легко заметить на изображениях с динамическими функциями освещения и детализированными текстурами.

7. Улучшенное морфологическое сглаживание субпикселей (SMAA)

Пример SMAA 4x, интегрированного в игру Crysis 2

Сочетает в себе методы пространственного сглаживания и постобработки.

Этот метод постобработки сглаживания сочетает морфологическое сглаживание (MLAA) с дополнительными стратегиями мульти / суперсэмплинга (MSAA, SSAA) для точных характеристик субпикселей.

SMAA обеспечивает лучшее качество изображения при сохранении исключительно быстрого времени выполнения. В частности, он обеспечивает очень точные градиенты и временную стабильность при минимальных накладных расходах. Это делает его предпочтительным выбором для бюджетных конфигураций.

8. Временное сглаживание (TXAA)

Обеспечивает лучшее качество изображения, чем FXAA или MLAA, но требует гораздо больше вычислительных ресурсов

Этот сложный метод использует как размытие, так и суперсэмплинг для создания четкой графики и изящных движений. Другими словами, он нацелен на поддержание плавного уровня движения в виртуальной среде.

В последние годы исследователи разработали адаптивное временное сглаживание (ATAA), которое устраняет недостатки TXAA. Например, он устраняет артефакты размытия и двоения без значительного снижения производительности. Результаты ATAA близки к тому, что может обеспечить суперсэмплинг 16x.

Читайте:18 лучших программ для редактирования видео | И бесплатные, и платные

Какой метод сглаживания следует использовать?

Если вы хорошо разбираетесь в оборудовании, которое используете, и знаете, какую производительность вы хотите получить от своей машины, тогда будет легче решить, какой метод сглаживания лучше всего подходит для вас.

Следующие вопросы помогут вам принять правильное решение:

• Каковы характеристики вашего графического процессора?
• Насколько тяжелые или требовательные к графике ваши игры?
• Какие графические функции вы хотите улучшить, а какие не заботитесь?

Если у вас есть мощное игровое оборудование высокого уровня, вам следует выбрать SSAA, MSAA и TXAA. Если у вас центральный / графический процессор средней мощности, вы можете выбрать MSAA, FXAA или MLAA. А если у вас игровое оборудование более низкого уровня, которое не может поддерживать высокую частоту кадров и склонно к перегреву, вам следует предпочесть CSAA или SMAA.

Вы также можете поэкспериментировать с настройками графики, чтобы узнать, что ваш CPU / GPU способен обрабатывать. Можно настроить множество параметров, таких как разрешение, качество теней, поле зрения, расстояние обзора, текстура и анизотропная фильтрация.

Желательно начать с минимально возможной конфигурации, а затем перейти к более высоким подробным уровням. Хотя это довольно утомительная задача, это самый простой способ выяснить, как добиться наилучшего игрового процесса на своем компьютере.

Однако, учитывая последние достижения в области графических процессоров и технологий отображения, действительно не стоит беспокоиться о сглаживании. Фактически, новые видеоигры и изображения сверхвысокого разрешения вообще не требуют сглаживания.

Читайте:22 увлекательных факта о видеоиграх | Статистика и истории

По-прежнему полезно получить знания о различных типах сглаживания, чтобы вы могли принимать обоснованные решения о балансировании визуальных эффектов и производительности вашего следующего рабочего стола. Информация также будет полезна, если вы когда-нибудь решите редактировать профессиональные видео или разработать собственную игру.