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 плоскостямиповерхностями. 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 24К 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 в 3D-играх: сглаживание
Любая 3D-игра состоит из тысяч и даже миллионов всевозможных цветных линий. Но из-за того, какими способами они появляются на экране, они часто могут выглядеть неровными и отвлекать от игрового процесса.
В этой статье мы доступно и (почти) без математики объясним, какие методы используются для сглаживания границ в игровой графике.
С математической точки зрения, алиасинг, или эффект «зубчатости» границ на изображении, возникает тогда, когда непрерывный сигнал преобразуется в дискретный набор значений. Растеризация прямой или кривой вызывает пространственный алиасинг — такие геометрические линии фактически состоят из бесконечного числа точек, соединяющих две точки в пространстве, и их представление с использованием фиксированного числа пикселей приводит лишь к приближению к исходной линии. И поскольку пиксельная версия линии уже не является реальной, ее расположение рядом с другими фигурами создает множество визуальных странностей, которые мы и имеем в виду под термином «алиасинг».
Алиасинг возникает из того факта, что отрендеренное изображение должно каким-либо образом отображаться на экране. И независимо от того, сделан ли он из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), жидкокристаллического дисплея (ЖКД) или плазменной панели, этот экран создает изображение с помощью набора цветных элементов.
Разрешения 10 х 7 пикселей недостаточно для отображения этого треугольника без алиасинга
Некоторые сигналы меняются во времени, а не в пространстве, и в таком случае при выборке значений через заданные интервалы тоже образуется алиасинг. Например, преобразование аналоговой звуковой дорожки в цифровую включает в себя изменение уровня звука каждые несколько долей секунды: так, в случае аудио компакт-диска это происходит каждые 0,02 миллисекунды. Различия между дискретным и исходным сигналом создают временной алиасинг и обычно устраняются путем более быстрой выборки.
Но что, если сигнал представляет собой последовательность движений? В реальном мире кажется, что вещи вокруг нас движутся непрерывно — поэтому, когда мы преобразуем это в поток кадров, мы получаем алиасинг. В мире кино это приводит к странно выглядящему движению — например, когда колеса автомобиля как будто бы вращаются в обратном направлении. Также и в 3D-графике, когда частота кадров рендеринга недостаточно высока для полного представления движения объектов, это приводит к тому, что края выглядят размытыми или неровными, что еще больше усугубляется пространственным алиасингом.
Хотя методы, используемые для решения этих проблем, в совокупности известны как сглаживание (анти-алиасинг, сокращенно AA), в кино и 3D-играх они совершенно разные. Для последних по факту используется множество методов, имеющих самые разные названия. Но прежде, чем мы рассмотрим подробнее наиболее часто встречающиеся алгоритмы, давайте поговорим о разрешении и частоте кадров. Ведь если бы они всегда были сверхвысокими, то и не возникало бы никаких проблем.
Воспользуемся старым бенчмарком, таким как 3DMark03, чтобы сосредоточиться исключительно на пространственном алиасинге.
Приведенное выше изображение (оригинал) из теста Wings of Fury было снято с разрешением 1280×720 пикселей. Четырнадцать лет назад, когда Radeon 9800 XT и GeForce FX 5900 Ultra были лучшими из доступных видеокарт, самые большие мониторы имели разрешение около 1600×1200 пикселей — так что разрешение, которое мы используем для тестов сейчас, можно было бы принять за среднее либо низкое (сродни сегодняшнему 1080p).
Беглый взгляд на крылья самолетов ясно указывает на проблему алиасинга, и особенно это заметно в движении. Большой контраст между цветом пикселей на крыле и фоном неба и облаков создает мерцание при движении самолета по небу. Виной всему относительно низкая частота дискретизации, а потому наиболее очевидным решением было бы ее увеличение. Давайте снова посмотрим ту же сцену в разрешении 4K, или 3840×2160 пикселей (оригинал):
Края крыльев выглядят заметно сглаженными, но если немного увеличить масштаб, то можно увидеть, что алиасинг по-прежнему присутствует. Конечно, можно продолжить увеличивать разрешение до тех пор, пока визуально не останется никаких искажений, но за это придется заплатить производительностью.
Каждый пиксель требует обработки, если не указало иное: к нему нужно применить несколько текстур и обработать его многочисленными шейдерами для расчета окончательного цвета. Обычно это узкое место в большинстве игр, и общая частота кадров обратно пропорциональна разрешению. Если верить столь старому бенчмарку, как 3DMark03, переход с 1280х768 до 3840×2160 пикселей снижает среднюю частоту кадров с 1670 до 1274 кадров в секунду — то есть, увеличение количества обрабатываемых пикселей на 740% приводит к снижению производительности всего на 24%. Однако с новыми бенчмарками все выглядит несколько иначе. Это можно легко продемонстрировать, запустив последний 3DMark в различных разрешениях. На графике ниже показана средняя частота кадров первого графического теста в бенчмарке Time Spy.
Переход от 720p к 4K означает увеличение разрешения на 800%, но частота кадров при этом падает на 81%. Хотя игры не обязаны соответствовать этой закономерности, современные AAA-тайтлы, скорее всего, покажут схожие результаты. Это говорит о том, что если мы хотим максимально уменьшить влияние алиасинга, нам понадобится метод получше, чем просто повышение разрешения — ведь чем ниже частота кадров, тем хуже временной алиасинг.
Избыточная выборка сглаживания, или суперсэмплинг (Supersampling anti-aliasing, SSAA)
Это самый старый и самый простой метод сглаживания. Он включает в себя рендеринг сцены с более высоким разрешением, чем заданная настройка, а затем сэмплинг и смешивание результата до меньшего числа пикселей. Например, монитор может быть иметь разрешение 1920×1080 пикселей, а игру можно настроить для рендеринга с разрешением 3840×2160, после чего происходит масштабирование обратно до меньшего разрешения и вывод результата на экран. Обычно в этом алгоритме используется метод ближайшего соседа, а математика смешивания является ни чем иным, как средним арифметическим сэмплов.
Конечно, возможности современных графических процессоров позволяют использовать и более сложные алгоритмы сэмплирования и смешивания. Но для начала посмотрим, как работает этот.
На изображении ниже показан классический 4x SSAA в действии. 4x указывает на смешение четырех сэмплов путем вычисления среднего арифметического значения цвета для вывода его на экран. Для этого разрешение увеличивается в 2 раза по обеим осям.
Обратите внимание на расположение сэмплов в примере выше. Поскольку сами пиксели имеют дискретную область, позиции сэмплов могут быть установлены в любом месте в пределах этой области.
Проблема с SSAA заключается в том, что все эти дополнительные пиксели необходимо обрабатывать, и, как мы видели в тестах 3DMark, увеличение разрешения может легко вызвать резкое падение частоты кадров.
Сейчас суперсэмплинг используется уже редко, хотя и нашел новое применение в качестве настроек в драйверах для видеокарт AMD и NVIDIA: в первых эта технология называется виртуальное суперразрешение (Virtual Super Resolution, VSR), во второй — динамическое суперразрешение (Dynamic Super Resolution, DSR). Их можно использовать для сглаживания в некоторых старых играх, в которых нет никакой встроенной системы, или просто для улучшения уже имеющегося изображения.
Множественная выборка сглаживания, или мультисэмплинг (Multisample anti-aliasing (MSAA)
Этот метод впервые появился в исследовательских лабораториях Silicon Graphics в начале 90-х годов. По сути, это тот же SSAA, но с выборочным применением только там, где это действительно необходимо. Ладно, пожалуй, это все-таки не просто SSAA, но такая формулировка должна помочь в понимании, как работает этот алгоритм.
Главное преимущество суперсэмплинга само по себе представляет проблему, поскольку при нем сглаживается все: края примитивов, плоские текстурные поверхности, прозрачные многоугольники и многое другое. Учитывая, что фильтрация текстур уже заботится о том, что происходит внутри треугольников рендеринга, нам нужна система, которая работала бы только с краями, которые больше всего подвержены проблеме алиасинга.
Но как это сделать? Так уж вышло, что необходимая для этого информация у нас уже есть. Когда трехмерный мир вершин преобразуется в двухмерную плоскость растра, в пикселях, образующих различные примитивы в сцене, закладывается информация не только о цвете и текстурах, но и о глубине.
Эта информация может храниться в z-буфере (или буфере глубины), а затем использоваться для определения видимости краев. В приведенном выше примере все крайне просто: белый цвет обозначает фон, черный — примитив.
С возможностями современных графических процессоров мы можем создать версию черно-белой сетки с более высоким разрешением. В таком случае мы просто записываем глубину примитива в местах выборки:
Можно заметить, что большее число сэмплов дает нам более репрезентативную карту глубины.
А теперь перейдем к самому интересному. Отложив эту карту глубины, вернемся к кадру с исходным разрешением и запустим все наши пиксельные шейдеры для формирования конечного цвета. Затем вернемся к детализированному буферу глубины и для каждого пикселя, что находится в примитиве (т.е. для черных пикселей), выделим цвет шейдера на выходе. Очевидно, что это нужно где-то хранить, так что нам понадобится относительно небольшой буфер для каждой точки из выборки в пикселе. Затем, как и в SSAA, мы сэмплируем и смешиваем детализированный буфер до требуемого разрешения — и получаем фрейм со сглаживанием. Что касается производительности, то мы запускали пиксельные шейдеры только на относительно небольшом количестве точек, но при этом нам пришлось создать и сохранить пару буферов с высоким разрешением.
Таким образом, для мультисэмплинга необходимо большее количество VRAM и более высокая пропускная способность памяти (а также возможность быстрого чтения/записи в z-буферы), но зато он не требует большой мощности от шейдеров. Давайте для сравнения с SSAA воспользуемся старым примером кода AMD.
Код запускает простую сцену с базовыми текстурами и освещением, но большим количеством геометрии, так что алиасинг по краям видно особенно хорошо. Если приблизить изображение, то в верхнем левом углу можно увидеть следующую информацию: каждому кадру требуется в среднем 0,18 миллисекунды на рендеринг и всего 0,02 мс на смешивание для окончательного вывода. Цветовой буфер имеет размер 7,4 МБ, как и буфер глубины.
Также можно увеличить определенные области кадра, чтобы увидеть алиасинг во всех деталях. Напомним, что можно отрендерить все это с более высоким разрешением, но это увеличит время рендеринга. Если мы применим к сцене 4x SSAA, именно это и произойдет.
Обратите внимание, что на изображении выше время рендеринга увеличилось до 0,4 мс (то есть, на 122%), а время смешивания удвоилось. Кроме того, размер буферов цвета и глубины увеличился в 4 раза. Такова стоимость использования SSAA, и хотя современному графическому процессору не составит особой проблемы произвести такое сглаживание на столь простом примере, но современные 3D-игры — совсем другое дело.
Теперь взгляните на увеличенный фрагмент. Обратите внимание на гладкость линий. Да, осталось еще много «лесенок», но результат выглядит заметно лучше. Было бы это еще не так дорого.
Но теперь рассмотрим MSAA:
Здесь время рендеринга сцены почти вернулось к тому значению, каким оно было без применения сглаживания (что хорошо), хотя время вывода еще больше увеличилось. Общий объем памяти — где-то на полпути между отсутствием AA и 4x SSAA, отчего может показаться, что MSAA определенно лучший вариант, чем SSAA. Можно сказать, что даже уменьшение алиасинга на краях примитивов выглядит лучше, хотя это больше связано с выбором шаблона сэмплинга, а не с природой самого MSAA. Но если посмотреть на текстуру стены в увеличенной области, станет очевидным один недостаток MSAA.
Там, где SSAA улучшает все, MSAA влияет только на края геометрии, и хотя это не представляет большой проблемы для статических изображений, в движении разница будет куда более заметной. Другая проблема заключается в том, что алгоритм плохо работает с отложенным рендерингом, и, хотя есть способы обойти это, ни один из них не будет «бесплатным» с точки зрения производительности.
Так что же делать, если методы супер- и мультисэмплинга — не лучший выбор?
Быстрое приблизительное сглаживание (Fast approximate anti-aliasing, FXAA)
В 2009 году Nvidia представила новый метод очистки неровных краев фигур в 3D-сценах. В отличие от SSAA и MSAA, реализация FXAA был разработана полностью при помощи шейдеров. С момента выпуска он претерпел не одно улучшение и сегодня активно используется в играх.
Алгоритм представляет собой проход постобработки — то есть, запускается после того, как большая часть рендеринга уже завершена, но до применения таких элементов, как HUD, — и обычно имеет вид однопиксельного шейдера. Первая итерация алгоритма работает следующим образом: сначала мы выбираем буфер, содержащий изображение, которое мы хотим отобразить, и преобразуем значение sRGB в линейную оценку яркости этого пикселя (это мера того, сколько света проходит через заданную область в заданном направлении). Эта часть шейдера состоит всего из нескольких строк и даже может использовать зеленый канал для оценки уровня освещенности. Зачем это нужно? Что ж, следующий шаг в шейдере включает проверку относительного контраста окружающих пикселей по отношению к выбранному пикселю: если разница велика, то это место, скорее всего, окажется границей.
Последовательность FXAA: найти пиксели на границе, определить ее ориентацию, сдвинуть их, размыть конечное изображение
Отобранные пиксели проходят еще одну проверку по определению ориентации границы. После этого пара пикселей под углом 90° к границе, имеющая наибольшую разницу в яркости, участвует в сканировании по этой границе для поиска ее концов.
После идентификации всех краев на изображении позиции пикселей вдоль этих краев сдвигаются: вверх или вниз в случае горизонтальных линий и из стороны в сторону для вертикальных. Перемещаются они совсем ненамного, так что новое положение находится в пределах области исходного пикселя. Исходный буфер кадра дискретизируется с использованием уже новых местоположений: пиксели внутри примитивов по-прежнему останутся там, где они были раньше, но те, что определяли границы, поменяются, что поможет уменьшить влияние алиасинга.
FXAA имеет серьезные преимущества перед SSAA и MSAA. Во-первых, он представляет собой простой фрагмент кода, что под силу выполнить практически любому графическому процессору. Во-вторых, он сглаживает все края, а не только периметры фигур. Например, текстуры с прозрачностью, часто используемые для дыма, мусора и листвы, окажутся сглажены, чего не будет при MSAA.
Пример использования FXAA представлен ниже:
Без AA (слева) и FXAA (справа) — обратите внимание, что деревья и элероны на крыле выглядят намного более гладкими
Какие же минусы? При заполнении кадра высококонтрастными областями, такими как яркие пиксели на темном фоне, они будут смешаны независимо от того, было ли это нужно или нет.
Метод имеет меньшую точность, чем в SSAA или MSAA, ведь он не улавливает детали субпикселей и по сути просто является своеобразным фильтром, который размывает некоторые текстуры. Но принимая во внимание его дешевизну при относительной эффективности, нетрудно понять, почему FXAA все еще часто применяют 12 лет спустя, пусть и переработанный.
Существуют и другие полноэкранные алгоритмы обнаружения границ, аналогичные этому: морфологическое сглаживание (MLAA), разработанное Intel, в свое время послужило вдохновением для создания FXAA; далее оно было доработано разработчиком игр Crytek и университетом Сарагосы в Испании и получило новое название Enhanced Sub-pixel MLAA (SMAA). Самое лучшее во всех этих алгоритмах — что, в отличие от SSAA и MSAA, они могут постоянно обновляться и модифицироваться программистами, настраивающими их в соответствии с приложениями или играми, которые они создают.
Временное сглаживание (Temporal anti-aliasing, TAA)
До сих пор мы рассматривали только методы борьбы с визуальным воздействием пространственного алиасинга. Чтобы противостоять временному алиасингу, вызываемому тем, что 3D-игры генерируют дискретные выборки непрерывного движения, чаще всего используют следующий алгоритм.
Начинается рендеринг как обычно, но затем мы сохраняем значения цвета пикселей в блоке памяти, называемом буфером истории. После этого рендер переходит к следующему кадру в последовательности и обрабатывает его. Перед его отображением мы берем сэмплы из буфера истории, и результат смешивается с текущим кадром. Затем буфер истории обновляется с новым результатом, копируется для формирования окончательного изображения, а в конце отмечается как готовый для отображения на мониторе.
Основная предпосылка временного сглаживания
Затем все последующие кадры следуют тому же шаблону рендеринга, сэмплируют буфер истории, смешивают, обновляют и отображают результат. Накопление последовательных кадров приводит к сглаживанию всей сцены при переходе от кадра к кадру — так у нас получается гладкое изображение, на которое вполне можно смотреть.
Но если бы на этом работа алгоритма заканчивалась, он был бы бесполезен — например, если бы от кадра к кадру не было изменений, то смешивание ничего не исправило бы. Чтобы это обойти, каждый кадр изначально рендерится со случайным смещением камеры с небольшим запасом (это называется субпиксельным дрожанием). Слегка сдвинутые позиции пикселей затем используются для сэмплирования буфера истории, после чего дрожание устраняется, и обработку кадра можно считать завершенной. Таким образом, когда дело доходит до смешивания значений истории с текущими, вы почти всегда получаете выборки координат субпикселей, которые находятся не совсем в одном и том же месте, что приводит к некоторой степени сглаживания.
Самый распространенный алгоритм TAA
Временной АА может вызвать такую проблему, как гостинг (ghosting), когда края движущихся объектов кажутся размытыми, а не сглаженными. Один из наиболее распространенных методов ее решения заключается в использовании шейдера для вычисления векторов движения объектов, сохранения информации в памяти (буфере скорости) и последующего сравнения относительных скоростей текущего пикселя с выбранными: если они заметно отличаются, выборка истории отклоняется.
В дополнение к использованию значений скорости, большинство реализаций TAA выполняют дальнейший процесс верификации выборки истории — это предотвращает использование значений из предыдущих кадров, которые больше не актуальны в текущем (например, если они скрыты за перемещенным объектом). В этом методе обычно используется ограничивающая рамка, выровненная по осям, где оси используют цветность буфера истории, отклоняя любые цвета, выходящие за их пределы.
Окончательное смешивание пикселей текущих и из истории также может быть взвешено с использованием сравнительных значений цвета, яркости или скорости. Наконец, на финальной копии обновленного буфера истории можно использовать различные фильтры размытия, чтобы еще больше уменьшить гостинг изображения.
Так выглядит результат TAA:
Без AA (слева) и TAA (справа) — обратите внимание на размытие деталей на крыле
Для разработчиков запрограммировать все это гораздо сложнее, чем добавить в игру SSAA или MSAA. Но современные графические процессоры могут довольно быстро обрабатывать все требуемые шейдеры, и там, где алгоритмы супер- и мультисэмплинга требуют множество сэмплов для каждого кадра (а значит, большей работы модуля вывода рендеринга (ROP) и пропускной способности памяти), TAA эффективно распределяет эти сэмплы по нескольким кадрам. Это значит, что для игр, не сильно ограниченных количеством затенения, можно включить TAA с относительно небольшой потерей производительности.
Кроме того, TAA хорошо работает с отложенным рендерингом и может использоваться в связке с FXAA и SMAA, что приводит к еще лучшему виду изображения. К сожалению, он имеет склонность к чрезмерной размытости и вызывает мерцающие артефакты на краях с высокой контрастностью. Но, поскольку вычислительные мощности графических процессоров пока не демонстрируют никаких признаков выхода на плато, все эти методы можно продолжать совершенствовать.
И это еще не все!
Четыре описанных выше метода широко используются в играх для ПК и консолей, особенно в FXAA и TAA. Но на них дело не ограничивается.
Например, когда NVIDIA выпустила видеокарты серии GeForce 9, она также анонсировала модифицированную версию MSAA под названием Multi-Frame Sampled Anti-aliasing (MFAA). По сути, в этом алгоритме с каждым кадром графический процессор изменяет шаблон сэмплирования, и таким образом каждый раз берется и смешивается меньшее количество сэмплов. При усреднении по нескольким кадрам эффект оказывается такой же, как и при обычном MSAA, но с меньшими затратами на производительность. К сожалению, этот алгоритм можно было реализовать только в играх, разработанных под руководством NVIDIA. Тем не менее, он все еще существует, и вы можете получить к нему доступ, включив опцию в панели управления драйвером GeForce.
Совсем недавно та же компания вложила значительные ресурсы в разработку алгоритма AA, использующего искусственный интеллект. Алгоритм, появившийся в 2018 вместе с чипами Turing, имеет название суперсэмплинг при помощи глубокого обучения (DLSS).
Первая версия DLSS требовала обучение глубокой нейронной сети на определенных играх. В них она сравнивала кадры низкого разрешения с кадрами очень высокого разрешения, в которых был включен SSAA. Текущая версия использует более обобщенную сеть и принимает во внимание дополнительную информацию в виде векторов движения для определения, как должен выглядеть кадр, если он был отрендерен с более высоким разрешением.
Сравнение оригинального 1080p и с применением DLSS:
Сейчас AMD работает над собственным аналогом DLSS. Можно предположить, что со временем алгоритмы глубокого обучения AA заменят традиционные, но сейчас до этого еще далеко. Такие системы не легче внедрить, чем, скажем, TAA, а визуальные результаты при этом не всегда идеальны.
Мы прошли уже долгий путь со времен Riva TNT и Half-Life, когда просто приходилось мириться с неровными полигонами повсюду, ведь не было никаких технологий, чтобы можно было что-то с этим сделать, но исследования улучшенных методов сглаживания продолжаются и продолжаются.
Какое сглаживание в играх лучше: DLSS, MSAA, TAA, FXAA или DMAA
В любой современной игре в настройках графики легко найти пункт «Сглаживание». Как работает эта функция, насколько она полезна и какой вариант сглаживания выбрать, если доступно несколько — разберём подробнее.
Содержание
Что такое сглаживание и для чего нужно
Для начала стоит немного рассказать о том, что такое алиасинг, чтобы понять, для чего нужно сглаживание. Дело в том, что графика дискретна — очевидно, пиксель либо закрашен полностью, либо нет. При построении сцены цвет каждого пикселя определяется тем, лежит ли в его центре часть какого-нибудь объекта или нет. Именно поэтому некоторые детали могут не отрисовываться, если они покрывают лишь четверть пикселя. А другие примитивы, наоборот, имеют слишком резкие переходы между парой пикселей, даже если сам предмет должен обладать плавными формами.
Иначе говоря, алиасинг — резкий переход между двумя или несколькими пикселями. Самые очевидные примеры алиасинга в играх — мерцание тонких объектов или текстур с мелкими деталями в движении и эффект ступенчатости на краях объектов.
Так вот, сглаживание, или же AA (Anti-Aliasing) — это способ устранения артефактов алиасинга, в том числе и тех самых «лесенок» на изображении. Оно позволяет сделать сцену в игре более реалистичной и приятной глазу, как в реальной жизни. Добиваются плавности как раз «смягчением» переходов между пикселями, заполняя соседние пиксели корректными оттенками.
Какие виды сглаживания в играх бывают
Количество методов сглаживания не так мало, как кажется на первый взгляд. Так как их очень много, обо всех рассказать сложно, поэтому я затрону наиболее распространённые и интересные из них.
Сами методы можно разделить на 2 категории: те, которые применяются во время рендеринга и те, которые применяются к уже построенному изображению (постпроцессинговые).
SSAA (Super Sampling Anti-Aliasing)
Также его называют методом избыточной выборки. Основан на принципах получения образцов цвета (сэмплов) сразу в 4 участках пикселя с последующим усреднением. Важное уточнение: для этого вместо одного пикселя рендерятся четыре, и уже после расчётов цвета они сжимаются обратно до одного. Кстати, необязательно должно использоваться именно четырёхкратное увеличение, это лишь один из самых распространённых типов алгоритма. Существует множество вариаций паттернов выборки: среди них ordered grid, rotated grid, jitter. Все они отличаются только расположением точек получения сэмплов и точностью результата. Иногда в настройках игры можно увидеть несколько видов SSAA, которые как раз будут отличаться паттернами. Самый простой — ordered grid (OGSSAA), остальные методы, как правило, эффективнее.
Существенным недостатком SSAA является его высокое требование к ресурсам — неудивительно, ведь по сути это рендеринг всей сцены в разрешении, превышающем нативное в несколько раз. Зато этот метод сглаживания один из самых эффективных и точных, правда, в современных AAA-проектах встречается не так часто.
DSR (Dynamic Super Resolution)
Владельцы видеокарт NVIDIA имеют возможность включить в «Панели управления NVIDIA» функцию под названием DSR. С этой технологией изображение в игре рендерится в большем разрешении, а затем масштабируется до нативного разрешения монитора. Результат оказывается близок к SSAA, за исключением того, что в DSR ещё накладывается фильтр размытия.
Как и метод избыточной выборки, DSR потребляет много ресурсов. Главный плюс использования этой функции — она поддерживается в большем количестве игр (хотя в некоторых могут возникать проблемы) и не требует внедрения разработчиком.
MSAA (MultiSample Anti-Aliasing)
Как и SSAA, MSAA делает выборку нескольких участков пикселя и усредняет цвет, но только на крайних пикселях объектов, а не на всей сцене, а значит, и ресурсов потребляет значительно меньше. Весьма распространён и даёт хороший результат. Из-за такой выборки проявляются и недочёты технологии — на стыках между двумя объектами изображение по-прежнему «острое», то же самое видно и на высокодетализированных, а также прозрачных текстурах. Ну и хоть оно менее ресурсозатратное, нежели SSAA, это всё ещё «тяжёлый» метод, сильно нагружающий видеокарту.
MSAA в играх встречается в нескольких типах: 2x, 4x, 8x, 16x. Число отражает количество выборок на пиксель. Чем оно выше, тем лучше результат, но сильнее нагрузка.
CSAA (Coverage Sampling Anti-Aliasing)
CSAA — это доработанный MSAA от компании NVIDIA. Он выдаёт результат, близкий к MSAA 8x или 16x, потребляя ресурсы на уровне MSAA 4x. Не углубляясь в детали, улучшение сглаживания достигается за счёт использования информации ещё и о соседних пикселях. Похожая технология от AMD называется EQAA (Enhanced Quality Anti-Aliasing). Обе технологии почти не встречаются в современных играх из-за того, что сейчас разработчики предпочитают использовать универсальные методы.
TAA (Temporal Anti-Aliasing)
TAA — популярный метод сглаживания, который часто используется во многих современных играх. Он берёт информацию о пикселях не только с текущего кадра, но и с предыдущего. За счёт этого TAA позволяет избавиться от эффекта мерцания, например, на тонких объектах. В целом, это довольно качественный метод, не уступающий MSAA, при этом потребляющий в разы меньше ресурсов. Недостатки тоже есть: изображение может быть слишком мыльным — разработчики пытаются исправлять это повышением резкости, но не всегда помогает. Кроме того, из-за того, что информация берётся с предыдущего кадра, возникает эффект гостинга (остаточного изображения) — вокруг движущихся объектов возникают «шлейфы».
FXAA (Fast approXimate Anti-Aliasing)
FXAA относится к постпроцессинговому типу сглаживания. Весьма дешёвый способ убрать алиасинг с небольшими потерями производительности. FXAA смешивает соседние пиксели на готовом изображении, заранее определяя контрастные переходы. Недостатком можно назвать излишнее сглаживание, из-за чего некоторые текстуры и далёкие предметы будут мыльными, но FXAA станет отличным выбором на слабых компьютерах, так как оказывает очень маленькое влияние на FPS.
MLAA (MorphoLogical Anti-Aliasing)
Постпроцессинговый метод, работает не на видеокарте, а на процессоре, в отличие от всех остальных методов. MLAA ищет резкие отличия в цветах, затем идентифицирует L-, Z- и U-образные паттерны в построенном изображении, после чего смешивает цвета пикселей в таких фигурах.
На движущихся объектах могут возникать артефакты, связанные с появлением и исчезновением отдельных пикселей. Это характерно почти для всех типов геометрического сглаживания, в том числе и для MLAA. На тонких объектах данный артефакт проявляется в виде мерцания.
MLAA даёт более точный результат, чем у FXAA, но и сам процесс более требователен к ресурсам. Впрочем, если имеется мощный процессор, то влияние на FPS в играх будет минимальное.
SMAA (Subpixel Morphological Anti-Aliasing)
SMAA — это смесь FXAA и MLAA, работающая на видеокарте. В отличие от MLAA, ищёт различия не в цветах, а в яркости пикселей. Кроме того, использует не только L-, Z- и U-образные паттерны, но ещё и диагональные.
Существуют разные типы SMAA:
- SMAA 1x — стандартный алгоритм, определяет грани объектов при помощи локального контраста, вычисляемого поиском различий в яркости пикселей, ищет геометрические объекты и диагональные линии;
- SMAA T2x — SMAA 1x + TAA;
- SMAA S2x — SMAA 1x + MSAA;
- SMAA T4x — SMAA 1x + MSAA + TAA.
Самый эффективный, как можно понять из описания, SMAA T4x, он же и самый прожорливый из этих вариантов. На скриншотах из Shadow of Tomb Raider заметно, как сильно меняется изображение при включении SMAA 1x, а вот разница между SMAA T2x и T4x есть, но она не такая существенная.
CMAA (Conservative Morphological Anti-Aliasing)
Как и предыдущие три, CMAA — это постпроцессинговый метод. Нагружает систему чуть больше, чем FXAA, но меньше, чем SMAA. В теории, CMAA обеспечивает куда более лучшую по качеству картинку, нежели примитивный FXAA, но это зависит от реализации: на примерах из DiRT Rally 2.0 отлично видно, что алгоритм не очень сильно влияет на сцену.
На двух изображениях выше сложно увидеть разницу, но она есть: отдалённые предметы более чёткие и с меньшим количеством лесенок. Особенно видно это на мелкой траве вдалеке, а также на дальних конусах.
CMAA исследует изображение на разрывы цветов, уточняет края фигур в конкретных участках, затем обрабатывает простые фигуры, причём только симметричные. Метод имеет повышенную временную стабильность в сравнении с SMAA и MLAA — за счёт этого в сцене меньше мерцаний.
DLSS (Deep Learning Super Sampling)
Сравнительно новая технология, на данный момент доступная только на видеокартах NVIDIA RTX. Очень эффективный метод, который при небольших требованиях к ресурсам выдаёт качественную картинку. Конечно, если речь идёт о DLSS 2.0 и 2.1 — первая итерация технологии была очень сырой и сильно «мылила» картинку.
Используя тензорные ядра, DLSS апскейлит отрендеренное в низком разрешении изображение за счёт использования глубокого машинного обучения. Такой подход позволяет добиться качества, сравнимого с рендером сцены в полноценном разрешении.
- В тему:Какие игры поддерживают сглаживание DLSS и DLSS 2.0
Конечно, технология всё ещё сыровата даже во второй версии, и иногда встречаются небольшие артефакты, но даже сейчас результат получается лучше, чем при использовании TAA. На картинке выше сравнивается DLSS и TAA. Издалека разницы нет, но при детальном рассмотрении видно, что с DLSS дальние объекты чётче, а рюкзак выглядит чуть мыльнее, но на нём нет лесенок.
Итог: какое сглаживание лучше выбрать
Технологий сглаживания действительно много, но каждая из них имеет право на существование. Какая же из них самая лучшая?
Источник https://stopgame.ru/blogs/topic/90102/grafika_v_igrah_okklyuziya_sglazhivanie_filtraciya_kak_i_s_chem_e_edyat
Источник https://habr.com/ru/company/pixonic/blog/555364/
Источник https://trashbox.ru/link/what-is-anti-aliasing