Antyaliasing to technika stosowana w grafice komputerowej w celu wygładzenia postrzępionych krawędzi i nadania obrazom bardziej realistycznego wyglądu. Jest odpowiedzią na zjawisko aliasingu zniekształcające obraz w trakcie jego rasteryzacji.
Rasteryzacja to technika stosowana w grafice 3D do przekształcania kształtów geometrycznych, takich jak trójkąty i koła, w obraz 2D, który można wyświetlić na ekranie. Ten proces obejmuje pobranie danych 3D i rzutowanie ich na płaszczyznę 2D, zwaną rzutnią. Obraz jest następnie dzielony na piksele, a każdemu pikselowi przypisywany jest kolor na podstawie koloru najbliższego punktu na rzutowanym kształcie. Rasteryzacja jest kluczowym krokiem w procesie renderowania i jest używana w wielu popularnych silnikach graficznych 3D, takich jak Unity i Unreal Engine. Aliasing jest częstym problemem w obrazach cyfrowych, ponieważ ograniczona rozdzielczość ekranów może powodować różne artefakty na wyświetlanym obrazie. Z pomocą przychodzi nam więc antyaliasing.
Historia Antyaliasingu
Historia antyaliasingu sięga początków grafiki komputerowej. Na początku lat 60. grafika komputerowa ograniczała się do prostych modeli szkieletowych, które nie miały widocznych krawędzi. Jednak wraz z postępem technologii grafiki komputerowej możliwe stały się bardziej złożone obrazy i kształty, co finalnie doprowadziło do problemu aliasingu.
Jedna z najwcześniejszych form antyaliasingu nazywana była antyaliasingiem przestrzennym, która polegała na uśrednianiu koloru pikseli w pobliżu krawędzi obiektu w celu uzyskania gładszego obrazu. Technika ta została po raz pierwszy zastosowana w latach 70. XX wieku w aplikacjach do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), a później została dostosowana do użytku w grach komputerowych i innych aplikacjach czasu rzeczywistego.
- Zobacz też: Karty graficzne NVIDIA RTX vs AMD (różnice, zalety, wady)
- Zobacz też: AMD RYZEN – co musisz wiedzieć, o tym procesorze
W latach 80. opracowano nowe techniki antyaliasingu, takie jak antyaliasing z wieloma próbkami (MSAA), który polegał na pobraniu wielu próbek koloru każdego piksela i uśrednieniu ich razem. Ta technika była bardziej wydajna niż antyaliasing przestrzenny i lepiej nadawała się do zastosowań w czasie rzeczywistym.
W latach 90. wprowadzono supersampling anti-aliasing (SSAA), który renderował obraz w wyższej rozdzielczości, a następnie zmniejszał próbkowanie do ostatecznej rozdzielczości. Technika ta dawała obrazy bardzo wysokiej jakości, ale była kosztowna obliczeniowo i nie mogła być stosowana w czasie rzeczywistym.
W ostatnich latach opracowano nowe techniki antyaliasingu, takie jak antyaliasing czasowy (TAA) i szybki przybliżony antyaliasing (FXAA). Techniki te mają być bardziej wydajne i dobrze nadają się do zastosowań w czasie rzeczywistym, takich jak gry wideo.
Rodzaje antyaliasingu
Wygładzanie jest ważną techniką w grafice komputerowej, ponieważ pomaga tworzyć bardziej realistyczne i przyjemne wizualnie obrazy. Jest to jednak również kosztowne obliczeniowo i może znacznie zwiększyć obciążenie procesu renderowania. W rezultacie wielu twórców gier stosuje kombinację technik, takich jak MSAA dla prostej geometrii i SSAA dla bardziej złożonych scen, aby zrównoważyć jakość obrazu i wydajność. Wygładzanie polega na mieszaniu kolorów pikseli w pobliżu krawędzi obiektu, dzięki czemu krawędź wydaje się gładsza. Istnieje kilka różnych rodzajów technik antyaliasingu, z których każda ma swoje mocne i słabe strony. Najpopularniejsze rodzaje to:
• Multisampling anti-aliasing (MSAA): Ta technika polega na pobraniu wielu próbek koloru każdego piksela i uśrednieniu ich razem w celu uzyskania gładszego obrazu. MSAA jest wydajne i dobrze sprawdza się w przypadku prostej geometrii i tekstu, ale może być mniej skuteczna w przypadku bardziej złożonych scen.
• Antyaliasing z superpróbkowaniem (SSAA): Ta technika polega na renderowaniu obrazu w wyższej rozdzielczości, a następnie próbkowaniu go w dół do ostatecznej rozdzielczości. SSAA tworzy obrazy o bardzo wysokiej jakości, co wykorzystuje dość dużo zasobów komputera i może działać nieco wolniej.
• Temporal anti-aliasing (TAA): Ta technika polega na uśrednieniu koloru każdego piksela w czasie, z wykorzystaniem danych z wielu klatek. TAA skutecznie redukuje aliasing w ruchomych obrazach, ale może wprowadzać pewne artefakty i ghosting.
• FXAA (szybki przybliżony antyaliasing): Jest to technika przetwarzania końcowego, która wykorzystuje filtr do wygładzania krawędzi. Jest bardzo szybki i można go zastosować do sceny w czasie rzeczywistym, ale może być również mniej dokładny niż inne metody.
Ograniczenia antyaliasingu
Techniki antyaliasingu, choć skuteczne w wygładzaniu postrzępionych krawędzi i sprawianiu, że obrazy wydają się bardziej realistyczne, mają pewne ograniczenia i wady. Niektóre z nich obejmują:
• Gorsza wydajność: techniki antyaliasingu mogą być kosztowne obliczeniowo i wymagają dodatkowej mocy obliczeniowej. Może to stanowić ograniczenie w przypadku aplikacji działających w czasie rzeczywistym, takich jak gry wideo, w których wydajność ma kluczowe znaczenie.
• Artefakty: antyaliasing może poprawić jakość obrazu, ale może również wprowadzić inne artefakty, takie jak rozmycie lub efekt ducha (ghosting), które mogą obniżyć ogólną jakość obrazu. Ponadto niektóre techniki antyaliasingu mogą nie być skuteczne w przypadku wszystkich typów obrazów lub scen.
• Kompatybilność: Techniki antyaliasingu mogą być również ograniczone przez kompatybilność sprzętową. Niektóre metody antyaliasingu wymagają specjalnego wsparcia sprzętowego, na przykład bufory wielu próbek w kartach graficznych, które mogą nie być dostępne we wszystkich systemach.
• Redukcja aliasingu nie zawsze jest pożądana: Niektóre gry lub projekty mogą mieć styl retro lub pikselowy, co oznacza celowo niską rozdzielczość. W takich przypadkach użycie antyaliasingu przyniosłoby efekt przeciwny do zamierzonego i sprawiło, że gra lub projekt straciły swój urok.
• Ograniczona kontrola: Techniki antyaliasingu są zwykle stosowane globalnie, co oznacza, że ten sam poziom AA jest stosowany do całej sceny. Mogą jednak wystąpić sytuacje, w których programista chce zastosować inny poziom AA do określonych części sceny. W takich przypadkach deweloper może nie mieć wystarczającej kontroli nad procesem AA, aby osiągnąć pożądany rezultat.
Chociaż antyaliasing jest potężną techniką poprawiania jakości obrazu, nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem w każdej sytuacji. Ważne jest, aby rozważyć korzyści i ograniczenia antyaliasingu oraz zastosować odpowiednią technikę lub kombinację technik dla danej aplikacji.
Przyszłość antyaliasingu
Przyszłość antyaliasingu wygląda obiecująco, ponieważ pojawiają się nowe technologie i badania mające na celu poprawę jakości i wydajności technik antyaliasingu. Niektóre z kluczowych obszarów, w których prawdopodobnie nastąpi postęp w antyaliasingu, obejmują:
• Śledzenie promieni w czasie rzeczywistym: Śledzenie promieni (technologia RayTracing) to technika symulująca fizyczne zachowanie światła, która może generować wysoce realistyczne obrazy. Dzięki ostatnim postępom w sprzęcie i oprogramowaniu ray tracing w czasie rzeczywistym staje się coraz bardziej powszechny i może stać się standardową techniką antyaliasingu w przyszłości. Jest to jednak wciąż wymagająca sprzętowo technologia.
• Uczenie maszynowe: Techniki uczenia maszynowego, takie jak deep learning, są wykorzystywane do poprawy wydajności i jakości antyaliasingu. Naukowcy pracują nad opracowaniem metod antyaliasingu opartych na uczeniu maszynowym, które można zastosować w czasie rzeczywistym, co mogłoby znacznie poprawić jakość obrazów w grach i innych aplikacjach.
• Rzeczywistość wirtualna i rozszerzona: Rosnąca popularność technologii rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej prowadzi do nowych wymagań dotyczących wysokiej jakości metod antyaliasingu, ponieważ technologie te wymagają wyświetlania realistycznych i szczegółowych obrazów. Prowadzone są badania mające na celu opracowanie technik antyaliasingu, które można zastosować w tego typu aplikacjach, aby poprawić wrażenia użytkownika.
• Ulepszona obsługa sprzętu: Rozwój nowego sprzętu, takiego jak wyspecjalizowane procesory antyaliasingu, może umożliwić stosowanie antyaliasingu w czasie rzeczywistym do obrazów i scen o wysokiej rozdzielczości.
• Adaptacyjny antyaliasing: Badane są również techniki adaptacyjnego antyaliasingu, które mogą dostosowywać poziom antyaliasingu w zależności od sceny i preferencji użytkownika. Zapewniłoby to programistom i użytkownikom większą kontrolę nad procesem AA.
Ogólnie rzecz biorąc, antyaliasing będzie nadal ważnym obszarem badań i rozwoju grafiki komputerowej, ponieważ pojawiają się nowe technologie i techniki mające na celu poprawę jakości i wydajności antyaliasingu. W rezultacie w niedalekiej przyszłości możemy spodziewać się wyższej jakości obrazów w grach wideo, wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości oraz innych aplikacjach.
Zobacz też serię artykułów dla graczy:
- Anti-aliasing – co to jest, jakie są rodzaje, jak działa?
- G-Sync – co to jest, jak działa?
- Poznaj technologię DLSS (Deep Learning Super Sampling)
- Najpopularniejsze techniki Antyaliasingu: FXAA, TAAU, FSR2
- Klawiatury mechaniczne: Rodzaje przełączników, plusy i minusy
- Filtrowanie anizotropowe – co to jest i jak działa?
- FOV (Field of view) w grafice i grach. Wszystko, co powinieneś wiedzieć
- Co to jest Input Lag? Od czego zależy? Jak go zmniejszyć?
- Co to jest v-sync, jak działa? czy warto włączyć?
