全屏抗锯齿技术FSAA是什么
Full Scene/Screen Anti Aliasing (FSAA) ,是一种能够消除画面中图形边缘的锯齿,使画面看起来更为平滑的一种技术。而此抗锯齿(Anti-aliasing)的技术通常被运用於3D或文字的画面。其主要的方法是通过采样算法,就是将在图形边缘会造成锯齿的这些像素(pixel)与其周围的像素作一个平均的运算,增加像素的数目,达到像素之间平滑过渡的效果。但其缺点就是会造成画面有些许的模糊。在此篇文章中,将介绍两种被用来实现FSAA的主要技术-OrderedGridSuperSampling(OGSS)和RotatedGridSuperSampling(RGSS)。所谓的OGSS就是将原来的画面放大并且在这放大的画面中进行上色的动作,之后再将画面还原到原来的大小显示在萤幕上,这样的做法所得到画面会将画面中影像边缘的锯齿消除。而RGSS比OGSS多了一个调整取样(Jitter)的步骤来达成消除锯齿的目的。
去掉锯齿后,还可以模拟高分辨率游戏的精致画面。它是目前最热门的特效,主要用于1600 * 1200以下的低分辨率。理论上来说,在17寸显示器上,1600 * 1200分辨率已经很难看到锯齿,无须使用抗锯齿算法。如此类推,在19寸显示器上,必须使用1920 x 1080分辨率,总之,越大的显示器,分辨率越高,才越不会看到抗锯齿1920 x 1200。由于RAMDAC(Random Access Memory Digital to Analog Converter,随机存储器数/模转换器)频率和显示器制造技术的限制,我们不可能永无止境地提升显示器和显卡的分辨率,抗锯齿技术变得很有必要了。
Full Scene/Screen Anti Aliasing (FSAA) ,是一种能够消除画面中图形边缘的锯齿,使画面看起来更为平滑的一种技术。而此抗锯齿(Anti-aliasing)的技术通常被运用於3D或文字的画面。其主要的方法是通过采样算法,就是将在图形边缘会造成锯齿的这些像素(pixel)与其周围的像素作一个平均的运算,增加像素的数目,达到像素之间平滑过渡的效果。但其缺点就是会造成画面有些许的模糊。在此篇文章中,将介绍两种被用来实现FSAA的主要技术-OrderedGridSuperSampling(OGSS)和RotatedGridSuperSampling(RGSS)。所谓的OGSS就是将原来的画面放大并且在这放大的画面中进行上色的动作,之後再将画面还原到原来的大小显示在萤幕上,这样的做法所得到画面会将画面中影像边缘的锯齿消除。而RGSS比OGSS多了一个调整取样(Jitter)的步骤来达成消除锯齿的目的。
Full Scene/Screen Anti Aliasing (FSAA) ,是一种能够消除画面中图形边缘的锯齿,使画面看起来更为平滑的一种技术。而此抗锯齿(Anti-aliasing)的技术通常被运用於3D或文字的画面。其主要的方法是通过采样算法,就是将在图形边缘会造成锯齿的这些像素(pixel)与其周围的像素作一个平均的运算,增加像素的数目,达到像素之间平滑过渡的效果。但其缺点就是会造成画面有些许的模糊。在此篇文章中,将介绍两种被用来实现FSAA的主要技术-OrderedGridSuperSampling(OGSS)和RotatedGridSuperSampling(RGSS)。所谓的OGSS就是将原来的画面放大并且在这放大的画面中进行上色的动作,之後再将画面还原到原来的大小显示在萤幕上,这样的做法所得到画面会将画面中影像边缘的锯齿消除。而RGSS比OGSS多了一个调整取样(Jitter)的步骤来达成消除锯齿的目的。去掉锯齿后,还可以模拟高分辨率游戏的精致画面。它是目前最热门的特效,主要用于1600 * 1200以下的低分辨率。理论上来说,在17寸显示器上,1600 * 1200分辨率已经很难看到锯齿,无须使用抗锯齿算法。如此类推,在19寸显示器上,必须使用1920 x 1080分辨率,总之,越大的显示器,分辨率越高,才越不会看到抗锯齿1920 x 1200。由于RAMDAC(Random Access Memory Digital to Analog Converter,随机存储器数/模转换器)频率和显示器制造技术的限制,我们不可能永无止境地提升显示器和显卡的分辨率,抗锯齿技术变得很有必要了。
----baike
首先,让我们先来了解何为锯齿以及产生锯齿的原因。我们用图1来加以说明,在图1(a)中有一个类似山的形状的图形,而我们用一个网格来描绘此图形,在这网格中的每一个小方格我们称它为像素(pixel),现在对这些像素作上色的动作,并以"0","1"来表示,若图形有通过像素的中心部分,我们称这像素被取样(sample),则我们以"0"表示(或以黑色表示),反之则以"1"表示(或以白色表示);藉由这样规则,我们将上完色的图形显示在图1(b)。在图1(b)中我们发现在图形边缘的部分由原先平滑的边缘变成阶梯状边缘,这样的结果就是因为取样而造成的,我们称像这样阶梯状的边缘为锯齿(aliasing或jaggies)。
锯齿在电脑动画中的影响
接下来我们以图2来讨论锯齿在电脑动画中的影响。图2(a)为原始平滑的影像,图2(b)为图2(a)经由取样过後的图形,现在请各位想像一下图2(a)中的图形垂直的往下移动,移动过後的图形我们以图2(c)表示,而图2(d)为图2(c)经过取样後的图形。
首先我们先将焦点放在图2(a)及图2(c)中绿色的长方形上,在图2(a)中此绿色的长方形是涵盖四个像素的中心位置,因此这四个像素会被取样(如图2(b)所示)然而当它向下移动到图2(c)的位置时,此时这绿色的长方形并不涵盖任何的像素中心位置,因此没有任何一个像素被取样(如图2(d))。所以当我们比较图2(b)及图2(d)时,发现此绿色的长方形在图2(d)中消失了,因此当图形上下移动时,我们会发现此绿色的长方形会一下出现,一下消失,而产生闪动(flash)的现象,像这样的问题,我们可以藉由抗锯齿的演算法及技术来减少锯齿及闪动的现象。
在抗锯齿的演算法中,使用了一个重要的取样技术,我们称之为超级取样(SuperSampling),我们将在下一个章节中详细的介绍这个技术。
超级取样(SuperSampling)
所谓的超级取样,就是藉着对一个像素作多次的取样来解决锯齿的问题,以这样的取样方式所获得的图形会更接近原来的图形,因此超级取样就是利用更多的取样点来增加图形的密度。举一个例子来说,图3(a)是一般的取样方式,也就是一个像素只取样一次,而图3(b)就是经过超级取样的结果。由图3(b)可以发现我们对每一个像素作多次的取样(此例为对每个像素作四次的取样),而每一个取样的点我们称它为子取样(sub-sample)。
根据每个像素中子取样的位置可分为:OrderedGridSuper-Sampling(OGSS)以及RotatedGridSuper-Sampling(RGSS)两种超级取样抗锯齿的技术。
OrderedGridSuper-Sampling(OGSS)
OrderedGridSuper-Sampling是一种最常被使用来作为抗锯齿的超级取样技术。"OrderedGrid"就如它的名称一样,它将每一个像素中的子取样以整齐的方式排列,这些子取样像榘阵(matrix)的元素一样,依照水平和垂直的方式整齐的排列着(如图4(a)所示)。在图4(a)中,使用了水平和垂直皆向上取样(up-sampling)两倍(2X)的方式,我们可以用一个系数(如:2X,4X,16X,..等)来表示OGSS的形式,例如:"2XOGSS"(如图4(a)所示)或是"4XOGSS"(如图4(b)所示)。有时候我们也可以用"tap"这个字来表示子取样的数目,如"4-tap"""16-tap"。所以一个16-tap的OGSS,就表示在水平及垂直这两个方向皆取样四次,如图4(b)所示。
我们可以利用上面介绍的OGSS的技术来实现FullSceneAnti-aliasing(FSAA),在下一个章节中,我们将仔细的描述如何透过OGSS来达到FSAA的效果。
利用OGSS来实现FSAA的技术
在这个章节中,我们将描述如何以OGSS的方式来实现FSAA,其流程方块图如图5所示。
转换(Transform)及打光(Lighting)过程:
游戏引擎将一个真实的3D世界制造成一个虚拟的3D环境再藉由转换的过程转换到一个2D的萤幕上。在这个转换的过程中是使用了Direct3D以及OpenGL这两个3DAPI(ApplicationProgramInterface)。Direct3D和OpenGL是利用许多三角形来构成3D图形,每一个三角形在3D的空间中都有它们自己的顶点座标(Vertexcoordinates),这些座标藉由3D显示卡及API的连结,来达成转换及打光的过程。
将3D虚拟座标作向上取样(Up-sampling)或超级取样(Super-sampling):
当经过转换及打光的过程後,接着我们将对这些转换过後的座标作向上取样(Up-sampling)或超级取样(Super-sampling)的动作,将做完取样後的座标放在off-screen缓冲区(buffer)中。此off-screen缓冲区与Z和Stencil缓冲区类似,它最主要就是用来储存每个经过Super-sampling後的画面,但是它与front或back缓冲区不同,off-screenbuffer中的画面是不会显示在萤幕上的。Up-sampling的方法很简单,就是将整个萤幕的座标乘上一个系数(如:2,4,┅.等),举个例子来说:如果有一个萤幕的解析度(resolution)是10'10,而在这萤幕中一个三角形,此三角形的三个顶点分别是:(5,5),(10,10),(10,0)。现在我们将up-sampling的系数设成2,所以在经过up-sampling後的画面将变为20'20(因为在水平及垂直方向都乘以2,也就是10'2=20),而画面中的三角形的座标也将变成(10,10),(20,20),(20,0)。所以在经过up-sampling的过程後我们得到一个比原来大四倍的画面,而此画面是储存於off-screenbuffer中。
在off-screenbuffer中上色(render):
接着我们将经过up-sampling的画面在off-screenbuffer中作上色(render)的动作,此上色的方式与一般绘图上色的方式相同。
以Anti-aliasingfilter作向下取样(Down-sampling):
当off-screenbuffer中的画面上色完成後,我们将得到一个高解析度的画面,但是此画面并不能显示在萤幕上,我们还必须经过向下取样(Down-sampling)的动作,将此高解析度的画面变成低解析度(也就是还原成原来画面的大小)。此Down-sampling的动作就是将四个子取样点的色彩值加以混和(假设up-sampling的系数为2)成为一个像素,简单的说就是将此四个邻近的子取样点的色彩值相加後再除以四,得到一个新的色彩值,举例来说:如果四个邻近的色彩值分别为150,200,100以及50,则我们可藉由(150+200+100+50)/4的运算式得到混合後的色彩值为125,所以这最後所得到的色彩值会介於四个邻近子取样色彩值的中间,藉由这样向下取样及平均值滤波器(averagefilter)的作用,使图形中高频的部分(通常是指图形的边缘部分)变的平滑,而达到抗锯齿的效果。
frontbuffer及backbuffer的互换:
当我们由off-screenbuffer得到一平滑的画面後,将此平滑的画面置於backbuffer中,之後再将backbuffer与frontbuffer中的画面互换并显示在萤幕上。
以上所描述的步骤就是以OGSS来实现FSAA的方法,在下一个章节中,我们将介绍如何以另外一种超级取样的方式 -RotateGridSuper-Sampling(RGSS)来实现FSAA。 RotateGridSuper-Sampling(RGSS)
第二种利用超级取样来抗锯齿的技术为RotateGridSuper-Sampling(RGSS),RGSS与OGSS的取样方式很类似,其两者最大的差别就在於子取样点的位置不同。OGSS的子取样点是在水平及垂直的方向整齐的排列(如图6(a)所示),而RGSS的子取样点的位置则是旋转了一个角度(如图6(b))。 利用RGSS来实现FSAA的技术
以RGSS的方式来实现FSAA的技术,基本上与OGSS的方式大同小异,不过两者的差异就在於RGSS比OGSS多了一个"jitter"的步骤(图5),而此"jitter"的步骤就是在於改变取样点的位置(如图7)。要改变(调整)取样点的位置有两种方式:一种是根据图形的特性来动态的调整取样点的位置,以获的更好抗锯齿功效;另一种则是将取样点固定旋转一个角度来达到抗锯齿的效果。
至目前为止,我们已经介绍了两种实现FSAA的方法(OGSS与RGSS),这两种方式最大的差别就在於取样点的位置不同,而因为取样点的位置不一样,对於抗锯齿的效果也有所不同,在下一个章节里,我们将对这两种抗锯齿的方式做一个比较。
OGSS与RGSS的比较
图8(a)及图8(b)中分别显示OGSS与RGSS的取样点位置,有一个近似水平的边缘图形通过图上的六个像素(pixel),我们藉着这两个图来比较OGSS与RGSS取样点的位置及最後混和後颜色的平滑度(smooth)。在图8(a)中,我们可发现OGSS的方式决定的取样点呈水平及垂直整齐的排列,而每个像素所得到的平均色彩值只有三种组合:0%(白色),50%以及100%(黑色),因此所的到的平滑效果并不理想,我们将混和後的颜色绘於每个图形下变的长方形中。在RGSS方面(图8(b)及图8(c)),可发现其混和後的颜色要比OGSS来的平滑许多。
图9说明两个子取样的RGSS与四个子取样的OGSS分别对接近水平边缘的图形作抗锯齿的效果。比较图9(b)与图9(c)可发现两个子取样(2sub-sample)的RGSS与四个子取样(4sub-sample)的OGSS效果相当的接近。
由上面的图形,也许各位读者会认为RGSS在水平方向或是垂直方向的表现皆优於OGSS,其实这并不全然正确,读者应该还记得RGSS在做Anti-aliasing的效果时,必须去调整取样点的位置,调整位置的方式可分为动态调整或固定旋转某个角度来取样,这样的一个步骤,会消耗一些系统的资源及时间来做变换,而且若是使用固定旋转一个角度的方式来做RGSS的Anti-aliasing,其所呈现出来的效果未必会比OGSS的效果好,反观OGSS的方式是不需花费这样的资源及时间就可达到Anti-aliasing的效果,虽然效果不及RGSS来的好,但经由许的的实验证明,这两种方式所产生Anti-aliasing的效果,对於人眼的感知度来说,事实上并没有多的差别。
结论
无疑的,FSAA在现在或不久的将来,对於画面品质的改善是相当重要的技术。如果你很重视画面的更新率(framerate),则FSAA是不值得你去用的。但是对於3DRTS或3DRPG这样不需太高FPS(FramePerSecond)的游戏来说,则FSAA是最好的选择。
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